高质量编程内存管理

常见的内存错误及其对策

    问题1： 内存分配未成功，却使用了它

    解决办法：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。

    问题2： 内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。

    问题3： 内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界

    问题4： 忘记了释放内存，造成内存泄漏

    问题5： 释放了内存却继续使用它

 

【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

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，运行时出错

cout << p << endl;

cin.get();

 

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-3-2 数组和指针的内容复制与比较

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-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 字节而不是字节

}

示例-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-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-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);

}

    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-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-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。

 

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。

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。

（3）指针操作超越了变量的作用范围。

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。

 

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。

   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 相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。

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);

我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。