C++内存管理详解

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

　　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。

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1. char a[] = “hello”;   
2. a[0] = ‘X’;   
3. cout << a << endl;   
4. char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串   
5. p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误   
6. cout << p << endl;   

3.2 内容复制与比较

　　不能对数组名进行直接复制与比较。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。

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1. // 数组…   
2. char a[] = "hello";   
3. char b[10];   
4. strcpy(b, a); // 不能用 b = a;   
5. if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)   
6. …   
7. // 指针…   
8. int len = strlen(a);   
9. char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));   
10. strcpy(p,a); // 不要用 p = a;   
11. if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)   
12. …   

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）。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。不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。

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1. char a[] = "hello world";   
2. char *p = a;   
3. cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节   
4. cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节   
5. 　　　　　示例3.3（a） 计算数组和指针的内存容量   
6.   
7. void Func(char a[100])   
8. {   
9. 　cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节   
10. }   

  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。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？

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1. void GetMemory(char *p, int num)   
2. {   
3. 　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);   
4. }   
5. void Test(void)   
6. {   
7. 　char *str = NULL;   
8. 　GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL   
9. 　strcpy(str, "hello"); // 运行错误   
10. }   

　　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”。 

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1. void GetMemory2(char **p, int num)   
2. {   
3. 　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);   
4. }   
5. void Test2(void)   
6. {   
7. 　char *str = NULL;   
8. 　GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str   
9. 　strcpy(str, "hello");   
10. 　cout<< str << endl;   
11. 　free(str);   
12. }   

　　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。 

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1. char *GetMemory3(int num)   
2. {   
3. 　char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);   
4. 　return p;   
5. }   
6. void Test3(void)   
7. {   
8. 　char *str = NULL;   
9. 　str = GetMemory3(100);   
10. 　strcpy(str, "hello");   
11. 　cout<< str << endl;   
12. 　free(str);   
13. }   

　　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。

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1. char *GetString(void)   
2. {   
3. 　char p[] = "hello world";   
4. 　return p; // 编译器将提出警告   
5. }   
6. void Test4(void)   
7. {   
8. 　char *str = NULL;  
9. str = GetString(); // str 的内容是垃圾   
10. 　cout<< str << endl;   
11. }  

　　用调试器逐步跟踪，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。 
如果把示例改写成如下，会怎么样？ 

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1. char *GetString2(void)   
2. {   
3. 　char *p = "hello world";   
4. 　return p;   
5. }   
6. void Test5(void)   
7. {   
8. 　char *str = NULL;   
9. 　str = GetString2();   
10. 　cout<< str << endl;   
11. }   

　　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： 

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1. class A   
2. {   
3. 　public:   
4. 　　void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }   
5. };   
6. void Test(void)   
7. {   
8. 　A *p;   
9. 　{   
10. 　　A a;   
11. 　　p = &a; // 注意 a 的生命期   
12. 　}   
13. 　p->Func(); // p是“野指针”   
14. }   

　　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。

原文链接：http://blog.csdn.net/renwotao2009/article/details/5685146