内存管理

来源:互联网 发布:谁有九九网络斗地主 编辑:程序博客网 时间:2024/05/05 14:47
 欢迎进入内存这片雷区。伟大的Bill Gates 曾经失言:
640K ought to be enough for everybody
— Bill Gates 1981
程序员们经常编写内存管理程序,往往提心吊胆。如果不想触雷,唯一的解决办法
就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们,躲是躲不了的。本章的内容比一般教科书的要
深入得多,读者需细心阅读,做到真正地通晓内存管理。
7.1 内存分配方式
内存分配方式有三种:
(1) 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的
整个运行期间都存在。例如全局变量,static 变量。
(2) 在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函
数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集
中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
(3) 从堆上分配,亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc 或new 申请任意多
少的内存,程序员自己负责在何时用free 或delete 释放内存。动态内存的生存期
由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多。
7.2 常见的内存错误及其对策
发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序
运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。
有时用户怒气冲冲地把你找来,程序却没有发生任何问题,你一走,错误又发作了。
常见的内存错误及其对策如下:
.. 内存分配未成功,却使用了它。
编程新手常犯这种错误,因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是,
在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p 是函数的参数,那么在函数的入口
处用assert(p!=NULL)进行检查。如果是用malloc 或new 来申请内存,应该用if(p==NULL)
或if(p!=NULL)进行防错处理。
.. 内存分配虽然成功,但是尚未初始化就引用它。
犯这种错误主要有两个起因:一是没有初始化的观念;二是误以为内存的缺省初值
全为零,导致引用初值错误(例如数组)。
内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准,尽管有些时候为零值,我们宁可信
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其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是赋零值也不
可省略,不要嫌麻烦。
.. 内存分配成功并且已经初始化,但操作越过了内存的边界。
例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for 循环语
句中,循环次数很容易搞错,导致数组操作越界。
.. 忘记了释放内存,造成内存泄露。
含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足,你
看不到错误。终有一次程序突然死掉,系统出现提示:内存耗尽。
动态内存的申请与释放必须配对,程序中malloc 与free 的使用次数一定要相同,否
则肯定有错误(new/delete 同理)。
.. 释放了内存却继续使用它。
有三种情况:
(1)程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内
存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面。
(2)函数的return 语句写错了,注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,
因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
(3)使用free 或delete 释放了内存后,没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。
.. 【规则7-2-1】用malloc 或new 申请内存之后,应该立即检查指针值是否为NULL。
防止使用指针值为NULL 的内存。
.. 【规则7-2-2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右
值使用。
.. 【规则7-2-3】避免数组或指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少1”
操作。
.. 【规则7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。
.. 【规则7-2-5】用free 或delete 释放了内存之后,立即将指针设置为NULL,防止产
生“野指针”。
7.3 指针与数组的对比
C++/C 程序中,指针和数组在不少地方可以相互替换着用,让人产生一种错觉,以
为两者是等价的。
数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而
不是指向)一块内存,其地址与容量在生命期内保持不变,只有数组的内容可以改变。
指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”,所以我们常用指针来操
作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。
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下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
7.3.1 修改内容
示例7-3-1 中,字符数组a 的容量是6 个字符,其内容为hello/0。a 的内容可以改变,
如a[0]= ‘X’。指针p 指向常量字符串“world”(位于静态存储区,内容为world/0),常
量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句p[0]= ‘X’有什么
不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。
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’; // 编译器不能发现该错误
cout << p << endl;
示例7-3-1 修改数组和指针的内容
7.3.2 内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。示例7-3-2 中,若想把数组a 的内容复制给数
组b,不能用语句 b = a ,否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy 进行复制。
同理,比较b 和a 的内容是否相同,不能用if(b==a) 来判断,应该用标准库函数strcmp
进行比较。
语句p = a 并不能把a 的内容复制指针p,而是把a 的地址赋给了p。要想复制a
的内容,可以先用库函数malloc 为p 申请一块容量为strlen(a)+1 个字符的内存,再用
strcpy 进行字符串复制。同理,语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址,应该用库函
数strcmp 来比较。
// 数组…
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)

// 指针…
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)

示例7-3-2 数组和指针的内容复制与比较
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7.3.3 计算内存容量
用运算符sizeof 可以计算出数组的容量(字节数)。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)
的值是12(注意别忘了’/0’)。指针p 指向a,但是sizeof(p)的值却是4。这是因为
sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数,相当于sizeof(char*),而不是p 所指的内
存容量。C++/C 语言没有办法知道指针所指的内存容量,除非在申请内存时记住它。
注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针。示例
7-3-3(b)中,不论数组a 的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12 字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4 字节
示例7-3-3(a) 计算数组和指针的内存容量
void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4 字节而不是100 字节
}
示例7-3-3(b) 数组退化为指针
7.4 指针参数是如何传递内存的?
如果函数的参数是一个指针,不要指望用该指针去申请动态内存。示例7-4-1 中,
Test 函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str 获得期望的内存,str 依旧是NULL,
为什么?
void GetMemory(char *p, int num)
{
p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
strcpy(str, "hello"); // 运行错误
}
示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存
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毛病出在函数GetMemory 中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本,指针
参数p 的副本是 _p,编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p 的内容,就导致
参数p 的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中,_p 申请
了新的内存,只是把_p 所指的内存地址改变了,但是p 丝毫未变。所以函数GetMemory
并不能输出任何东西。事实上,每执行一次GetMemory 就会泄露一块内存,因为没有用
free 释放内存。
如果非得要用指针参数去申请内存,那么应该改用“指向指针的指针”,见示例7-4-2。
void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str,而不是str
strcpy(str, "hello");
cout<< str << endl;
free(str);
}
示例7-4-2 用指向指针的指针申请动态内存
由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解,我们可以用函数返回值来传递动态
内存。这种方法更加简单,见示例7-4-3。
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);
}
示例7-4-3 用函数返回值来传递动态内存
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用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用,但是常常有人把return 语句用错
了。这里强调不要用return 语句返回指向“栈内存”的指针,因为该内存在函数结束时
自动消亡,见示例7-4-4。
char *GetString(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; // 编译器将提出警告
}
void Test4(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString(); // str 的内容是垃圾
cout<< str << endl;
}
示例7-4-4 return 语句返回指向“栈内存”的指针
用调试器逐步跟踪Test4,发现执行str = GetString 语句后str 不再是NULL 指针,
但是str 的内容不是“hello world”而是垃圾。
如果把示例7-4-4 改写成示例7-4-5,会怎么样?
char *GetString2(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString2();
cout<< str << endl;
}
示例7-4-5 return 语句返回常量字符串
函数Test5 运行虽然不会出错,但是函数GetString2 的设计概念却是错误的。因为
GetString2 内的“hello world”是常量字符串,位于静态存储区,它在程序生命期内
恒定不变。无论什么时候调用GetString2,它返回的始终是同一个“只读”的内存块。
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7.5 free 和delete 把指针怎么啦?
别看free 和delete 的名字恶狠狠的(尤其是delete),它们只是把指针所指的内存给
释放掉,但并没有把指针本身干掉。
用调试器跟踪示例7-5,发现指针p 被free 以后其地址仍然不变(非NULL),只是
该地址对应的内存是垃圾,p 成了“野指针”。如果此时不把p 设置为NULL,会让人误
以为p 是个合法的指针。
如果程序比较长,我们有时记不住p 所指的内存是否已经被释放,在继续使用p 之
前,通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾,此时if 语句起不到防错作用,
因为即便p 不是NULL 指针,它也不指向合法的内存块。
char *p = (char *) malloc(100);
strcpy(p, “hello”);
free(p); // p 所指的内存被释放,但是p 所指的地址仍然不变

if(p != NULL) // 没有起到防错作用
{
strcpy(p, “world”); // 出错
}
示例7-5 p 成为野指针
7.6 动态内存会被自动释放吗?
函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例7-6 是正确的。理
由是p 是局部的指针变量,它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉!
void Func(void)
{
char *p = (char *) malloc(100); // 动态内存会自动释放吗?
}
示例7-6 试图让动态内存自动释放
我们发现指针有一些“似是而非”的特征:
(1)指针消亡了,并不表示它所指的内存会被自动释放。
(2)内存被释放了,并不表示指针会消亡或者成了NULL 指针。
这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气,一定要找出可以
草率行事的理由:
如果程序终止了运行,一切指针都会消亡,动态内存会被操作系统回收。既然如此,
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在程序临终前,就可以不必释放内存、不必将指针设置为NULL 了。终于可以偷懒而不会
发生错误了吧?
想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办?
7.7 杜绝“野指针”
“野指针”不是NULL 指针,是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL
指针,因为用if 语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if 语句对它不起作用。
“野指针”的成因主要有两种:
(1)指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL 指针,它
的缺省值是随机的,它会乱指一气。所以,指针变量在创建的同时应当被初始化,要么
将指针设置为NULL,要么让它指向合法的内存。例如
char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);
(2)指针p 被free 或者delete 之后,没有置为NULL,让人误以为p 是个合法的指针。
参见7.5 节。
(3)指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防,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“野指针”
}
函数Test 在执行语句p->Func()时,对象a 已经消失,而p 是指向a 的,所以p 就
成了“野指针”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错,这可能与编译器有关。
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7.8 有了malloc/free 为什么还要new/delete ?
malloc 与free 是C++/C 语言的标准库函数,new/delete 是C++的运算符。它们都可
用于申请动态内存和释放内存。
对于非内部数据类型的对象而言,光用maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象
在创建的同时要自动执行构造函数, 对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于
malloc/free 是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数
和析构函数的任务强加于malloc/free。
因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以及一个
能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete 不是库函数。
我们先看一看malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理,见示例7-8。
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)); // 申请动态内存
a->Initialize(); // 初始化
//…
a->Destroy(); // 清除工作
free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
//…
delete a; // 清除并且释放内存
}
示例7-8 用malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理
类Obj 的函数Initialize 模拟了构造函数的功能,函数Destroy 模拟了析构函数的功
能。函数UseMallocFree 中,由于malloc/free 不能执行构造函数与析构函数,必须调用
成员函数Initialize 和Destroy 来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete 则简单得多。
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所以我们不要企图用malloc/free 来完成动态对象的内存管理,应该用new/delete。
由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程,对它们而言malloc/free 和new/delete
是等价的。
既然new/delete 的功能完全覆盖了malloc/free,为什么C++不把malloc/free 淘
汰出局呢?这是因为C++程序经常要调用C 函数,而C 程序只能用malloc/free 管理动
态内存。
如果用free 释放“new 创建的动态对象”,那么该对象因无法执行析构函数而可能
导致程序出错。如果用delete 释放“malloc 申请的动态内存”,理论上讲程序不会出错,
但是该程序的可读性很差。所以new/delete 必须配对使用,malloc/free 也一样。
7.9 内存耗尽怎么办?
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块,malloc 和new 将返回NULL 指针,
宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。
(1)判断指针是否为NULL,如果是则马上用return 语句终止本函数。例如:
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{
return;
}

}
(2)判断指针是否为NULL,如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如:
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{
cout << “Memory Exhausted” << endl;
exit(1);
}

}
(3)为new 和malloc 设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander 函数
为new 设置用户自己定义的异常处理函数,也可以让malloc 享用与new 相同的异常处
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理函数。详细内容请参考C++使用手册。
上述(1)(2)方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存,那么方
式(1)就显得力不从心(释放内存很麻烦),应该用方式(2)来处理。
很多人不忍心用exit(1),问:“不编写出错处理程序,让操作系统自己解决行不行?”
不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情,一般说来应用程序已经无药可救。如果
不用exit(1) 把坏程序杀死,它可能会害死操作系统。道理如同:如果不把歹徒击毙,歹
徒在老死之前会犯下更多的罪。
有一个很重要的现象要告诉大家。对于32 位以上的应用程序而言,无论怎样使用
malloc 与new,几乎不可能导致“内存耗尽”。我在Windows 98 下用Visual C++编写了
测试程序,见示例7-9。这个程序会无休止地运行下去,根本不会终止。因为32 位操作
系统支持“虚存”,内存用完了,自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响,
Window 98 已经累得对键盘、鼠标毫无反应。
我可以得出这么一个结论:对于32 位以上的应用程序,“内存耗尽”错误处理程序
毫无用处。这下可把Unix 和Windows 程序员们乐坏了:反正错误处理程序不起作用,
我就不写了,省了很多麻烦。
我不想误导读者,必须强调:不加错误处理将导致程序的质量很差,千万不可因小
失大。
void main(void)
{
float *p = NULL;
while(TRUE)
{
p = new float[1000000];
cout << “eat memory” << endl;
if(p==NULL)
exit(1);
}
}
示例7-9 试图耗尽操作系统的内存
7.10 malloc/free 的使用要点
函数malloc 的原型如下:
void * malloc(size_t size);
用malloc 申请一块长度为length 的整数类型的内存,程序如下:
int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
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我们应当把注意力集中在两个要素上:“类型转换”和“sizeof”。
.. malloc 返回值的类型是void *,所以在调用malloc 时要显式地进行类型转换,将
void * 转换成所需要的指针类型。
.. malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型,它只关心内存的总字节数。我
们通常记不住int, float 等数据类型的变量的确切字节数。例如int 变量在16 位系统
下是2 个字节,在32 位下是4 个字节;而float 变量在16 位系统下是4 个字节,在
32 位下也是4 个字节。最好用以下程序作一次测试:
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 运算符是良好的风格,但要当心有时我们会昏了
头,写出 p = malloc(sizeof(p))这样的程序来。
.. 函数free 的原型如下:
void free( void * memblock );
为什么free 函数不象malloc 函数那样复杂呢?这是因为指针p 的类型以及它所指
的内存的容量事先都是知道的,语句free(p)能正确地释放内存。如果p 是NULL 指针,
那么free 对p 无论操作多少次都不会出问题。如果p 不是NULL 指针,那么free 对p
连续操作两次就会导致程序运行错误。
7.11 new/delete 的使用要点
运算符new 使用起来要比函数malloc 简单得多,例如:
int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
这是因为new 内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型
的对象而言,new 在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数,
那么new 的语句也可以有多种形式。例如
class Obj
{
public :
Obj(void); // 无参数的构造函数
Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
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}
void Test(void)
{
Obj *a = new Obj;
Obj *b = new Obj(1); // 初值为1

delete a;
delete b;
}
如果用new 创建对象数组,那么只能使用对象的无参数构造函数。例如
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100 个动态对象
不能写成
Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100 个动态对象的同时赋初值1
在用delete 释放对象数组时,留意不要丢了符号‘[]’。例如
delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法
后者相当于delete objects[0],漏掉了另外99 个对象。
7.12 一些心得体会
我认识不少技术不错的C++/C 程序员,很少有人能拍拍胸脯说通晓指针与内存管理
(包括我自己)。我最初学习C 语言时特别怕指针,导致我开发第一个应用软件(约1
万行C 代码)时没有使用一个指针,全用数组来顶替指针,实在蠢笨得过分。躲避指针
不是办法,后来我改写了这个软件,代码量缩小到原先的一半。
我的经验教训是:
(1)越是怕指针,就越要使用指针。不会正确使用指针,肯定算不上是合格的程序员。
(2)必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯,只有这样才能发现问题的本质。