C++内存管理

 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。本文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。
 
    1、内存分配方式（全局数据区、代码区（存函数）、栈、堆）
    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。
    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 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 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 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 4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
    【规则 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”。
    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。
    下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
    3.1  修改内容
    示例 3-1 中，字符数组 a 的容量是 6 个字符，其内容为 hello。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），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 3.1  修改数组和指针的内容
    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 3.2  数组和指针的内容复制与比较
    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’’）。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 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 3.3（b）  数组退化为指针
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 4.1  试图用指针参数申请动态内存
    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 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 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 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 4.3  用函数返回值来传递动态内存
    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 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 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 4.4 改写成示例 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 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。     5、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。
    （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。
6、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 6。 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 6  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。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、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。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 试图耗尽操作系统的内存
8、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);
    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。
    9、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
    „
}
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。
    10、一些心得体会
        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。