2004年 11月23日
17 : 07 內存管理

節選自《高質量C++編程指南》中的《內存管理》，并對其進行簡單整理......

內存分配方式
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內存分配方式有三種：
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（1） 從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。 例如全局變量static變量。
（2） 在棧上創建。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲 單元自動被釋放。棧內存 分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
（3） 從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。

常見的內存錯誤及其對策
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 發生內存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程序運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的癥狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時用戶怒氣沖沖地把你找來，程序卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。

常見的內存錯誤及其對策如下：

1>內存分配未成功，卻使用了它。
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 編程新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到內存分配會不成功。常用解決辦法是，在使用內存之前檢 指針是否為NULL。如果指針p是函數的參數，那么在函數的入口處用assert(p!=NULL)進行檢查。如果  是用malloc或new來申請內存，應該用if(p==NULL) 或if(p=NULL)進行防錯處理。

2>內存分配雖然成功，但是尚未初始化就引用它
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 犯這種錯誤主要有兩個起因：一是沒有初始化的觀念；二是誤以為內存的缺省初值全為零，導致引用初 錯誤（例如數組）。
內存的缺省初值究竟是什么并沒有統一的標準，盡管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所 以無論用何種方式創建數組，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。

3>內存分配成功并且已經初始化，但操作越過了內存的邊界。
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 例如在使用數組時經常發生下標"多1"或者"少1"的操作。特別是在for循環語句中，循環次數很容易搞錯，導致數組操作越界。

4>忘記了釋放內存，造成內存泄露。
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 含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊內存。剛開始時系統的內存充足，你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉，系統出現提示：內存耗盡。動態內存的申請與釋放必須配對，程序中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。

5>釋放了內存卻繼續使用它。
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有三種情況：
（1）程序中的對象調用關系過于復雜，實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了內存，此時應該重新設計數據結構，從根本上解決對象管理的混亂局面。
（2）函數的return語句寫錯了，注意不要返回指向"棧內存"的"指針"或者"引用"，因為該內存在函數體結束時被自動銷毀。
（3）使用free或delete釋放了內存后，沒有將指針設置為NULL。導致產生"野指針"。

【規則1】用malloc或new申請內存之后，應該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內存。
【規則2】不要忘記為數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作為右值使用。
【規則3】避免數組或指針的下標越界，特別要當心發生"多1"或者"少1"操作。
【規則4】動態內存的申請與釋放必須配對，防止內存泄漏。
【規則5】用free或delete釋放了內存之后，立即將指針設置為NULL，防止產生"野指針"。

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指針與數組的對比
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 C++/C程序中，指針和數組在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。
    
數組
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數組要么在靜態存儲區被創建（如全局數組），要么在棧上被創建。數組名對應著（而不是指向）一塊內存，其地址與容量在生命期內保持不變，只有數組的內容可以改變。

指針
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指針可以隨時指向任意類型的內存塊，它的特征是"可變"，所以我們常用指針來操作動態內存。指針遠比數組靈活，但也更危險。

下面以字符串為例比較指針與數組的特性。

1.修改內容
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 示例1中，字符數組a的容量是6個字符，其內容為hello\0。a的內容可以改變，如a[0]= 'X'。
指針p指向常量字符串"world"（位于靜態存儲區，內容為world\0），常量字符串的內容是不可以被修改的。
從語法上看，編譯器并不覺得語句p[0]= ‘X'有什么不妥，但是該語句企圖修改常量字符串的內容而導致運行錯誤。
 

 示例7-3-1 修改數組和指針的內容
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   char a[] = "hello";
   a[0] = 'X';
   cout << a << endl;
   char *p = "world"; // 注意p指向常量字符串  
   p[0] = 'X';  // 編譯器不能發現該錯誤cout << p << endl;
  

2.內容復制與比較
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數組復制
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不能對數組名進行直接復制與比較。示例2中，若想把數組a的內容復制給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函數strcpy進行復制。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函數strcmp進行比較。

指針復制
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語句p = a 并不能把a的內容復制指針p，而是把a的地址賦給了p。要想復制a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內存，再用strcpy進行字符串復制。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函數strcmp來比較。

  示例2 數組和指針的內容復制與比較
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        // 數組...
  char a[] = "hello";
  char b[10];
  strcpy(b, a); //不能用b = a;
  if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用  if (b == a)...
  // 指針...
  int len = strlen(a);
  char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));  
  strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
  if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)...

3 計算內存容量
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數組
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用運算符sizeof可以計算出數組的容量（字節數）。
示例3中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了'\0'）。

指針
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指針p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節數，
相當于sizeof(char*)，而不是p所指的內存容量。

C++/C語言沒有辦法知道指針所指的內存容量，除非在申請內存時記住它。

注意
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當數組作為函數的參數進行傳遞時，該數組自動退化為同類型的指針。
示例3中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。
      
       示例3 計算數組和指針的內存容量
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        char a[] = "hello world";
 char *p  = a; cout<< sizeof(a) << endl;// 12字節
 cout<< sizeof(p) << endl;// 4字節

 示例3（b） 數組退化為指針
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 void Func(char a[100])
 {
  cout<< sizeof(a) << endl;// 4字節而不是100字節
   }

4指針參數是如何傳遞內存的？
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如果函數的參數是一個指針，不要指望用該指針去申請動態內存。
示例4-1中，Test函數的語句GetMemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內存，str依舊是NULL，為什么？

 示例4-1 試圖用指針參數申請動態內存
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 void GetMemory(char *p, int num)
 {
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
 }
 void Test(void)
 {
  char *str = NULL;
  GetMemory(str, 100);// str 仍然為 NULL
  strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤
 }

毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本，
指針參數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數體內的程序修改了_p的內容，
就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針可以用作輸出參數的原因。
在本例中，_p申請了新的內存，只是把_p所指的內存地址改變了，但是p絲毫未變。
所以函數GetMemory并不能輸出任何東西。
事實上，每執行一次GetMemory就會泄露一塊內存，因為沒有用free釋放內存。

如果非得要用指針參數去申請內存，那么應該改用"指向指針的指針"，見示例4-2。

 示例4-2用指向指針的指針申請動態內存
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 void GetMemory2(char **p, int num)
 {
  *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
 }
 void Test2(void)
 {
  char *str = NULL;
  GetMemory2(&str, 100); // 注意參數是 &str，而不是str
  strcpy(str, "hello");
  cout<< str << endl;
  free(str);
 }

由于"指向指針的指針"這個概念不容易理解，我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。
這種方法更加簡單，見示例4-3。

 示例4-3 用函數返回值來傳遞動態內存
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 char *GetMemory3(int num)
 {
  char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  return p;
 }
 void Test3(void)
 {
  char *str = NULL;
  str = GetMemory3(100);
  strcpy(str,"hello");
  cout<< str << endl;
  free(str);
 }

用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這里強調不要用return語句返回指向"棧內存"的指針，因為該內存在函數結束時自動消亡，見示例4-4。

 示例4-4 return語句返回指向"棧內存"的指針
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 char *GetString(void)
 {
  char p[] = "hello world";
  return p;// 編譯器將提出警告
 }
 void Test4(void)
 {
  char *str = NULL;str = GetString();// str 的內容是垃圾
  cout<< str << endl;
 }

用調試器逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句后str不再是NULL指針，
但是str的內容不是"hello world"而是垃圾。

如果把示例4-4改寫成示例4-5，會怎么樣？

 示例4-5 return語句返回常量字符串
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 char *GetString2(void)
 {
  char *p = "hello world";
  return p;
 }
 void Test5(void)
 {
  char *str = NULL;
  str = GetString2();
  cout<< str << endl;
 }

函數Test5運行雖然不會出錯，但是函數GetString2的設計概念卻是錯誤的。
因為GetString2內的"hello world"是常量字符串，位于靜態存儲區，它在程序生命期內恒定不變。
無論什么時候調用GetString2，它返回的始終是同一個"只讀"的內存塊。

5 free和delete把指針怎么啦？
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別看free和delete的名字惡狠狠的（尤其是delete），
它們只是把指針所指的內存給釋放掉，但并沒有把指針本身干掉。
用調試器跟蹤示例5，發現指針p被free以后其地址仍然不變（非NULL），
只是該地址對應的內存是垃圾，p成了"野指針"。
如果此時不把p設置為NULL，會讓人誤以為p是個合法的指針。
如果程序比較長，我們有時記不住p所指的內存是否已經被釋放，
在繼續使用p之前，通常會用語句if (p !=NULL)進行防錯處理。
很遺憾，此時if語句起不到防錯作用，因為即便p不是NULL指針，
它也不指向合法的內存塊。

 示例5  p成為野指針
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 char *p = (char *) malloc(100);
 strcpy(p, "hello");
 free(p);        // p 所指的內存被釋放，但是p所指的地址仍然不變 ...
 if(p != NULL) // 沒有起到防錯作用
 {      strcpy(p, "world"); // 出錯
 }

6 動態內存會被自動釋放嗎？
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函數體內的局部變量在函數結束時自動消亡。很多人誤以為示例6是正確的。
理由是p是局部的指針變量，它消亡的時候會讓它所指的動態內存一起完蛋。這是錯覺！

 示例7-6 試圖讓動態內存自動釋放
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 void Func(void)
 {
  char *p = (char *) malloc(100); // 動態內存會自動釋放嗎？
 }

 我們發現指針有一些"似是而非"的特征：
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（1）指針消亡了，并不表示它所指的內存會被自動釋放。
（2）內存被釋放了，并不表示指針會消亡或者成了NULL指針。
     這表明釋放內存并不是一件可以草率對待的事。也許有人不服氣，
     一定要找出可以草率行事的理由：
     如果程序終止了運行，一切指針都會消亡，動態內存會被操作系統回收。
     既然如此，在程序臨終前，就可以不必釋放內存、不必將指針設置為NULL了。
     終于可以偷懶而不會發生錯誤了吧？
 想得美。如果別人把那段程序取出來用到其它地方怎么辦？

7 杜絕"野指針"
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"野指針"不是NULL指針，是指向"垃圾"內存的指針。
人們一般不會錯用NULL指針，因為用if語句很容易判斷。
但是"野指針"是很危險的，if語句對它不起作用。

"野指針"的成因主要有兩種：

（1）指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成為NULL指針，
它的缺省值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指針變量在創建的同時應當被初始化，
要么將指針設置為NULL，要么讓它指向合法的內存。例如
 char *p = NULL;
 char *str = (char *) malloc(100);

（2）指針p被free或者delete之后，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個合法的指針。參見7.5節。

（3）指針操作超越了變量的作用范圍。這種情況讓人防不勝防，示例程序如下：
 class A
 {
 public:
  void Func(void){ cout << "Func of class A" << endl;
  }

 void Test(void)
 {
 A  *p;
 {
  A  a;
  p = &a; // 注意 a 的生命期
 }
  p->Func();// p是"野指針"
 }

函數Test在執行語句p->Func()時，對象a已經消失，而p是指向a的，所以p就成了"野指針"。
但奇怪的是我運行這個程序時居然沒有出錯，這可能與編譯器有關。

8 有了malloc/free為什么還要new/delete ？
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malloc與free是C++/C語言的標準庫函數，new/delete是C++的運算符。
它們都可用于申請動態內存和釋放內存。

對于非內部數據類型的對象而言，光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。
對象在創建的同時要自動執行構造函數，對象在消亡之前要自動執行析構函數。
由于malloc/free是庫函數而不是運算符，不在編譯器控制權限之內，
不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加于malloc/free。
 
因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new，以及一個能完成清理與釋放內存工作的運

算符delete。注意new/delete不是庫函數。
我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理，見示例8。

 示例8 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理
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 class Obj
 {
 public :
  Obj(void){ cout << "Initialization" << endl; }
  ~Obj(void){cout << "Destroy" << endl; }
  void Initialize(void){ cout << "Initialization" << endl; }
  void    Destroy(void){ cout << "Destroy" << endl; }
 };
 void UseMallocFree(void)
 {
  Obj  *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態內存
  a->Initialize(); // 初始化
  a->Destroy(); // 清除工作
  free(a);// 釋放內存
 }
 void UseNewDelete(void)
 {
  Obj  *a = new Obj;// 申請動態內存并且初始化
  delete a;// 清除并且釋放內存
 }

類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能，函數Destroy模擬了析構函數的功能。
函數UseMallocFree中，由于malloc/free不能執行構造函數與析構函數，
必須調用成員函數Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。
函數UseNewDelete則簡單得多。

所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存管理，應該用new/delete。
由于內部數據類型的"對象"沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。
 
既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？
這是因為C++程序經常要調用C函數，而C程序只能用malloc/free管理動態內存。

如果用free釋放"new創建的動態對象"，那么該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。
如果用delete釋放"malloc申請的動態內存"，理論上講程序不會出錯，但是該程序的可讀性很差。
所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。

9 內存耗盡怎么辦？
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如果在申請動態內存時找不到足夠大的內存塊malloc和new將返回NULL指針，宣告內存申請失敗。
通常有三種方式處理"內存耗盡"問題。

（1）判斷指針是否為NULL，如果是則馬上用return語句終止本函數。例如：
 void Func(void)
 {
  A  *a = new A;
  if(a == NULL)
  {
   return;
  }
 ...
 }

（2）判斷指針是否為NULL，如果是則馬上用exit(1)終止整個程序的運行。例如：
 void Func(void)
 {
  A  *a = new A;
  if(a == NULL)
  {
   cout << "Memory Exhausted" << endl;
   exit(1);
  }
  ...
 }

（3）為new和malloc設置異常處理函數。

例如Visual C++可以用_set_new_hander函數為new設置用戶自己定義的異常處理函數，
也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函數。詳細內容請參考C++使用手冊。

上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函數內有多處需要申請動態內存，
那么方式（1）就顯得力不從心（釋放內存很麻煩），應該用方式（2）來處理。

很多人不忍心用exit(1)，問："不編寫出錯處理程序，讓操作系統自己解決行不行？"
不行。如果發生"內存耗盡"這樣的事情，一般說來應用程序已經無藥可救。
如果不用exit(1) 把壞程序殺死，它可能會害死操作系統。
道理如同：如果不把歹徒擊斃，歹徒在老死之前會犯下更多的罪。

有一個很重要的現象要告訴大家。對于32位以上的應用程序而言
，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致"內存耗盡"。
我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程序，見示例9。
這個程序會無休止地運行下去，根本不會終止。
因為32位操作系統支持"虛存"，內存用完了，自動用硬盤空間頂替。
我只聽到硬盤嘎吱嘎吱地響，Window 98已經累得對鍵盤、鼠標毫無反應。

我可以得出這么一個結論：對于32位以上的應用程序，"內存耗盡"錯誤處理程序毫無用處。這下可把Unix和Windows程序員們樂壞了：反正錯誤處理程序不起作用，我就不寫了，省了很多麻煩。

我不想誤導讀者，必須強調：不加錯誤處理將導致程序的質量很差，千萬不可因小失大。

  示例9試圖耗盡操作系統的內存
  void main(void)
  {
   float *p = NULL;
   while(TRUE)
   { 
    p = new float[1000000]; 
    cout << "eat memory" << endl; 
    if(p==NULL) exit(1);
   }
  }

10 malloc/free 的使用要點
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 函數malloc的原型如下：
  void * malloc(size_t size);
 用malloc申請一塊長度為length的整數類型的內存，程序如下：
  int  *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
我們應當把注意力集中在兩個要素上："類型轉換"和"sizeof"。
 malloc返回值的類型是void *，所以在調用malloc時要顯式地進行類型轉換，
將void * 轉換成所需要的指針類型。
 malloc函數本身并不識別要申請的內存是什么類型，它只關心內存的總字節數。
我們通常記不住int,float等數據類型的變量的確切字節數。例如int變量在16位系統下是2個字節
，在32位下是4個字節；而float變量在16位系統下是4個字節，在32位下也是4個字節。

最好用以下程序作一次測試：
cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;
 
在malloc的"()"中使用sizeof運算符是良好的風格，但要當心有時我們會昏了頭，寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程序來。

 函數free的原型如下：

void free( void * memblock );
 
為什么free函數不象malloc函數那樣復雜呢？這是因為指針p的類型以及它所指的內存的容量事先都是知道的，語句free(p)能正確地釋放內存。如果p是NULL指針，那么free對p無論操作多少次都不會出問題。
如果p不是NULL指針，那么free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。

11 new/delete 的使用要點
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運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多，例如：
int  *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int  *p2 = new int[length];
這是因為new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對于非內部數據類型的對象而言，
new在創建動態對象的同時完成了初始化工作。
如果對象有多個構造函數，那么new的語句也可以有多種形式。
例如
class Obj
{
public :
 Obj(void);  // 無參數的構造函數
 Obj(int x);  // 帶一個參數的構造函數
...
}
void Test(void)
{
 Obj  *a = new Obj;
 Obj  *b = new Obj(1); // 初值為1
 ...
 delete a;
 delete b;
}
如果用new創建對象數組，那么只能使用對象的無參數構造函數。例如
 Obj  *objects = new Obj[100]; // 創建100個動態對象
不能寫成
 Obj  *objects = new Obj[100](1);// 創建100個動態對象的同時賦初值1
在用delete釋放對象數組時，留意不要丟了符號‘[]'。例如
 delete []objects; // 正確的用法
delete objects; // 錯誤的用法
后者相當于delete objects[0]，漏掉了另外99個對象。

12 一些心得體會
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（1）越是怕指針，就越要使用指針。不會正確使用指針，肯定算不上是合格的程序員。
（2）必須養成"使用調試器逐步跟蹤程序"的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。

最后，說一句："呵呵，有點長，不知道大家有沒有時間把它看完？"