踏入C++中的雷区C++内存管理详解.docx

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踏入C++中的雷区C++内存管理详解

踏入C++中的雷区——C++内存管理详解

2006-04-2509:

22作者：

出处：

计算机教学网责任编辑：

方舟

　　伟大的BillGates曾经失言：

　　640Koughttobeenoughforeverybody—BillGates1981

　　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　

【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。

chara[]=“hello”;

a[0]=‘X’;

cout<

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<

　　　　　　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…

chara[]="hello";

charb[10];

strcpy（b,a）;//不能用b=a;

if（strcmp（b,a）==0）//不能用if（b==a）

…

//指针…

intlen=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（该段错误）

　　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*）。

//right?

chara[]="helloworld";

char*p=a;

cout<

cout<

　　　　　示例3.3（a）计算数组和指针的内存容量

voidFunc（chara[100]）

{

　cout<

}

　　　　　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？

voidGetMemory（char*p,intnum）

{

　p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;

}

voidTest（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。

【为什么这样呢？

】

　　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。

voidGetMemory2（char**p,intnum）

{

　*p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;

}

voidTest2（void）

{

　char*str=NULL;

　GetMemory2（&str,100）;//注意参数是&str，而不是str

　strcpy（str,"hello"）;

　cout<

　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（intnum）

{

　char*p=（char*）malloc（sizeof（char）*num）;

　returnp;

}

voidTest3（void）

{

　char*str=NULL;

　str=GetMemory3（100）;

　strcpy（str,"hello"）;

　cout<

　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）

{

　charp[]="helloworld";

　returnp;//编译器将提出警告

}

voidTest4（void）

{

　char*str=NULL;

　str=GetString（）;//str的内容是垃圾

　cout<

}

　　　　　　示例4.4return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“helloworld”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="helloworld";

　returnp;

}

voidTest5（void）

{

　char*str=NULL;

　str=GetString2（）;

　cout<

}

　　　　　示例4.5return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“helloworld”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：

classA

{

　public:

　　voidFunc（void）{cout<<“FuncofclassA”<

};

voidTest（void）

{

　A*p;

　{

　　Aa;

　　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。

classObj

{

　public:

　　Obj（void）{cout<<“Initialization”<

　　~Obj（void）{cout<<“Destroy”<

　　voidInitialize（void）{cout<<“Initialization”<

　　voidDestroy（void）{cout<<“Destroy”<

};

voidUseMallocFree（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

}

voidUseNewDelete（void）

{

　Obj*a=newObj;//申请动态内存并且初始化

　//…

　deletea;//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：

voidFunc（void）

{

　A*a=newA;

　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：

voidFunc（void）

{

　A*a=newA;

　if（a==NULL）

　{

　　cout<<“MemoryExhausted”<

　　exit

（1）;

　}

　…

}

　　（3）为new和malloc设置异常处理函数。

例如VisualC++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Windows98下用VisualC++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，Window98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。

voidmain（void）

{

　float*p=NULL;

　while（TRUE）

　{

　　p=newfloat[1000000];

　　cout<<“eatmemory”<

　　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_tsize）;

　　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<

cout<

cout<

cout<

cout<

cout<

cout<

cout<

　　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：

voidfree（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=newint[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

classObj

{

　public:

　　Obj（void）;//无参数的构造函数

　　Obj（intx）;//带一个参数的构造函数

　　…

}

voidTest（void）

{

　Obj*a=newObj;

　Obj*