轉載——C++記憶體管理

1、記憶體分配方式

　　記憶體分配方式有三種：
　　（1）從靜態儲存區域分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。
　　（2）在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內建於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。
　　（3） 從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。

　　2、常見的記憶體錯誤及其對策
　　發生記憶體錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程式執行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的症狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時使用者怒氣衝衝地把你找來，程式卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。 常見的記憶體錯誤及其對策如下：

　　* 記憶體分配未成功，卻使用了它。
　　程式設計新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到記憶體分配會不成功。常用解決辦法是，在使用記憶體之前檢查指標是否為NULL。如果指標p是函式的引數，那麼在函式的入口處用assert(p!=NULL)進行檢查。如果是用malloc或new來申請記憶體，應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。

　　* 記憶體分配雖然成功，但是尚未初始化就引用它。
　　犯這種錯誤主要有兩個起因：一是沒有初始化的觀念；二是誤以為記憶體的預設初值全為零，導致引用初值錯誤（例如陣列）。 記憶體的預設初值究竟是什麼並沒有統一的標準，儘管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式建立陣列，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。

　　* 記憶體分配成功並且已經初始化，但操作越過了記憶體的邊界。
　　例如在使用陣列時經常發生下標“多1”或者“少1”的操作。特別是在for迴圈語句中，迴圈次數很容易搞錯，導致陣列操作越界。

　　* 忘記了釋放記憶體，造成記憶體洩露。
　　含有這種錯誤的函式每被呼叫一次就丟失一塊記憶體。剛開始時系統的記憶體充足，你看不到錯誤。終有一次程式突然死掉，系統出現提示：記憶體耗盡。

動態記憶體的申請與釋放必須配對，程式中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。
　　* 釋放了記憶體卻繼續使用它。
　　　有三種情況：
　　（1）程式中的物件呼叫關係過於複雜，實在難以搞清楚某個物件究竟是否已經釋放了記憶體，此時應該重新設計資料結構，從根本上解決物件管理的混亂局面。
　　（2）函式的return語句寫錯了，注意不要返回指向“棧記憶體”的“指標”或者“引用”，因為該記憶體在函式體結束時被自動銷燬。
　　（3）使用free或delete釋放了記憶體後，沒有將指標設定為NULL。導致產生“野指標”。

　　【規則1】用malloc或new申請記憶體之後，應該立即檢查指標值是否為NULL。防止使用指標值為NULL的記憶體。
　　【規則2】不要忘記為陣列和動態記憶體賦初值。防止將未被初始化的記憶體作為右值使用。
　　【規則3】避免陣列或指標的下標越界，特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。
　　【規則4】動態記憶體的申請與釋放必須配對，防止記憶體洩漏。
　　【規則5】用free或delete釋放了記憶體之後，立即將指標設定為NULL，防止產生“野指標”。

　　3、指標與陣列的對比

　　C++/C程式中，指標和陣列在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。
　　陣列要麼在靜態儲存區被建立（如全域性陣列），要麼在棧上被建立。陣列名對應著（而不是指向）一塊記憶體，其地址與容量在生命期內保持不變，只有陣列的內容可以改變。
　　指標可以隨時指向任意型別的記憶體塊，它的特徵是“可變”，所以我們常用指標來操作動態記憶體。指標遠比陣列靈活，但也更危險。
　　下面以字串為例比較指標與陣列的特性。

　　3.1 修改內容
　　示例3-1中，字元陣列a的容量是6個字元，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指標p指向常量字串“world”（位於靜態儲存區，內容為world），常量字串的內容是不可以被修改的。從語法上看，編譯器並不覺得語句p[0]= ‘X’有什麼不妥，但是該語句企圖修改常量字串的內容而導致執行錯誤。

char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字串
p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發現該錯誤
cout << p << endl;　　　　　　示例3.1 修改陣列和指標的內容

　　3.2 內容複製與比較
　　不能對陣列名進行直接複製與比較。示例7-3-2中，若想把陣列a的內容複製給陣列b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函式strcpy進行復制。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函式strcmp進行比較。
　　語句p = a 並不能把a的內容複製指標p，而是把a的地址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函式malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字元的記憶體，再用strcpy進行字串複製。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函式strcmp來比較。
// 陣列…
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)
…
// 指標…
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 陣列和指標的內容複製與比較

　　3.3 計算記憶體容量
　　用運算子sizeof可以計算出陣列的容量（位元組數）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指標p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指標變數的位元組數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的記憶體容量。C++/C語言沒有辦法知道指標所指的記憶體容量，除非在申請記憶體時記住它。
　　注意當陣列作為函式的引數進行傳遞時，該陣列自動退化為同型別的指標。示例7-3-3（b）中，不論陣列a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12位元組
cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組　　　　　示例3.3（a） 計算陣列和指標的記憶體容量

void Func(char a[100])
{
　cout<< sizeof(a) << endl; // 4位元組而不是100位元組
}　　　　　示例3.3（b） 陣列退化為指標

4、指標引數是如何傳遞記憶體的？
　　如果函式的引數是一個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。示例7-4-1中，Test函式的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的記憶體，str依舊是NULL，為什麼？

void GetMemory(char *p, int num)
{
　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL
　strcpy(str, "hello"); // 執行錯誤
}　　　　　　示例4.1 試圖用指標引數申請動態記憶體

　　毛病出在函式GetMemory中。編譯器總是要為函式的每個引數製作臨時副本，指標引數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函式體內的程式修改了_p的內容，就導致引數p的內容作相應的修改。這就是指標可以用作輸出引數的原因。在本例中，_p申請了新的記憶體，只是把_p所指的記憶體地址改變了，但是p絲毫未變。所以函式GetMemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會洩露一塊記憶體，因為沒有用free釋放記憶體。

　　如果非得要用指標引數去申請記憶體，那麼應該改用“指向指標的指標”，見示例4.2。

void GetMemory2(char **p, int num)
{
　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory2(&str, 100); // 注意引數是 &str，而不是str
　strcpy(str, "hello");
　cout<< str << endl;
　free(str);
}　　　　　　示例4.2用指向指標的指標申請動態記憶體

　　由於“指向指標的指標”這個概念不容易理解，我們可以用函式返回值來傳遞動態記憶體。這種方法更加簡單，見示例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 用函式返回值來傳遞動態記憶體

　　用函式返回值來傳遞動態記憶體這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裡強調不要用return語句返回指向“棧記憶體”的指標，因為該記憶體在函式結束時自動消亡，見示例4.4。
char *GetString(void)
{
　char p[] = "hello world";
　return p; // 編譯器將提出警告
}
void Test4(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetString(); // str 的內容是垃圾
　cout<< str << endl;
}　　　　　　示例4.4 return語句返回指向“棧記憶體”的指標

　　用偵錯程式逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指標，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。
如果把示例4.4改寫成示例4.5，會怎麼樣？

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語句返回常量字串
　　函式Test5執行雖然不會出錯，但是函式GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2內的“hello world”是常量字串，位於靜態儲存區，它在程式生命期內恆定不變。無論什麼時候呼叫GetString2，它返回的始終是同一個“只讀”的記憶體塊。

　　5、杜絕“野指標”
　　“野指標”不是NULL指標，是指向“垃圾”記憶體的指標。人們一般不會錯用NULL指標，因為用if語句很容易判斷。但是“野指標”是很危險的，if語句對它不起作用。 “野指標”的成因主要有兩種：

　　（1）指標變數沒有被初始化。任何指標變數剛被建立時不會自動成為NULL指標，它的預設值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指標變數在建立的同時應當被初始化，要麼將指標設定為NULL，要麼讓它指向合法的記憶體。例如
char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);

　　（2）指標p被free或者delete之後，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個合法的指標。

　　（3）指標操作超越了變數的作用範圍。這種情況讓人防不勝防，示例程式如下：
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“野指標”
}
　　函式Test在執行語句p->Func()時，物件a已經消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指標”。但奇怪的是我執行這個程式時居然沒有出錯，這可能與編譯器有關。

6、有了malloc/free為什麼還要new/delete？

　　malloc與free是C++/C語言的標準庫函式，new/delete是C++的運算子。它們都可用於申請動態記憶體和釋放記憶體。

　　對於非內部資料型別的物件而言，光用maloc/free無法滿足動態物件的要求。物件在建立的同時要自動執行建構函式，物件在消亡之前要自動執行解構函式。由於malloc/free是庫函式而不是運算子，不在編譯器控制許可權之內，不能夠把執行建構函式和解構函式的任務強加於malloc/free。

　　 因此C++語言需要一個能完成動態記憶體分配和初始化工作的運算子new，以及一個能完成清理與釋放記憶體工作的運算子delete。注意new/delete不是庫函式。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現物件的動態記憶體管理，見示例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)); // 申請動態記憶體
　a->Initialize(); // 初始化
　//…
　a->Destroy(); // 清除工作
　free(a); // 釋放記憶體
}
void UseNewDelete(void)
{
　Obj *a = new Obj; // 申請動態記憶體並且初始化
　//…
　delete a; // 清除並且釋放記憶體
}　　　　　示例6 用malloc/free和new/delete如何實現物件的動態記憶體管理

　　類Obj的函式Initialize模擬了建構函式的功能，函式Destroy模擬了解構函式的功能。函式UseMallocFree中，由於malloc/free不能執行建構函式與解構函式，必須呼叫成員函式Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函式UseNewDelete則簡單得多。

　　所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態物件的記憶體管理，應該用new/delete。由於內部資料型別的“物件”沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。

　　既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什麼C++不把malloc/free淘汰出局呢？這是因為C++程式經常要呼叫C函式，而C程式只能用malloc/free管理動態記憶體。

　　如果用free釋放“new建立的動態物件”，那麼該物件因無法執行解構函式而可能導致程式出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態記憶體”，理論上講程式不會出錯，但是該程式的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。

　　7、記憶體耗盡怎麼辦？

　　如果在申請動態記憶體時找不到足夠大的記憶體塊，malloc和new將返回NULL指標，宣告記憶體申請失敗。通常有三種方式處理“記憶體耗盡”問題。

　　（1）判斷指標是否為NULL，如果是則馬上用return語句終止本函式。例如：

void Func(void)
{
　A *a = new A;
　if(a == NULL)
　{
　　return;
　}
　…
}
　　（2）判斷指標是否為NULL，如果是則馬上用exit(1)終止整個程式的執行。例如：

void Func(void)
{
　A *a = new A;
　if(a == NULL)
　{
　　cout << “Memory Exhausted” << endl;
　　exit(1);
　}
　…
}
　　（3）為new和malloc設定異常處理函式。例如Visual C++可以用_set_new_hander函式為new設定使用者自己定義的異常處理函式，也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函式。詳細內容請參考C++使用手冊。

　　上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函式內有多處需要申請動態記憶體，那麼方式（1）就顯得力不從心（釋放記憶體很麻煩），應該用方式（2）來處理。

　　很多人不忍心用exit(1)，問：“不編寫出錯處理程式，讓作業系統自己解決行不行？”

　　不行。如果發生“記憶體耗盡”這樣的事情，一般說來應用程式已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程式殺死，它可能會害死作業系統。道理如同：如果不把歹徒擊斃，歹徒在老死之前會犯下更多的罪。

　　有一個很重要的現象要告訴大家。對於32位以上的應用程式而言，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致“記憶體耗盡”。我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程式，見示例7。這個程式會無休止地執行下去，根本不會終止。因為32位作業系統支援“虛存”，記憶體用完了，自動用硬碟空間頂替。我只聽到硬碟嘎吱嘎吱地響，Window 98已經累得對鍵盤、滑鼠毫無反應。

　　我可以得出這麼一個結論：對於32位以上的應用程式，“記憶體耗盡”錯誤處理程式毫無用處。這下可把Unix和Windows程式設計師們樂壞了：反正錯誤處理程式不起作用，我就不寫了，省了很多麻煩。

　　我不想誤導讀者，必須強調：不加錯誤處理將導致程式的質量很差，千萬不可因小失大。

void main(void)
{
　float *p = NULL;
　while(TRUE)
　{
　　p = new float[1000000];
　　cout << “eat memory” << endl;
　　if(p==NULL)
　　　exit(1);
　}
}
　　示例7試圖耗盡作業系統的記憶體

8、malloc/free 的使用要點

　　函式malloc的原型如下：

void * malloc(size_t size);
　　用malloc申請一塊長度為length的整數型別的記憶體，程式如下：

int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
　　我們應當把注意力集中在兩個要素上：“型別轉換”和“sizeof”。

　　* malloc返回值的型別是void *，所以在呼叫malloc時要顯式地進行型別轉換，將void * 轉換成所需要的指標型別。

　　* malloc函式本身並不識別要申請的記憶體是什麼型別，它只關心記憶體的總位元組數。我們通常記不住int, float等資料型別的變數的確切位元組數。例如int變數在16位系統下是2個位元組，在32位下是4個位元組；而float變數在16位系統下是4個位元組，在32位下也是4個位元組。最好用以下程式作一次測試：

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運算子是良好的風格，但要當心有時我們會昏了頭，寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程式來。

　　* 函式free的原型如下：

void free( void * memblock );
　　為什麼free函式不象malloc函式那樣複雜呢？這是因為指標p的型別以及它所指的記憶體的容量事先都是知道的，語句free(p)能正確地釋放記憶體。如果p是NULL指標，那麼free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是NULL指標，那麼free對p連續操作兩次就會導致程式執行錯誤。

　　9、new/delete 的使用要點

　　運算子new使用起來要比函式malloc簡單得多，例如：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
　　這是因為new內建了sizeof、型別轉換和型別安全檢查功能。對於非內部資料型別的物件而言，new在建立動態物件的同時完成了初始化工作。如果物件有多個建構函式，那麼new的語句也可以有多種形式。例如

class Obj
{
　public :
　　Obj(void); // 無引數的建構函式
　　Obj(int x); // 帶一個引數的建構函式
　　…
}
void Test(void)
{
　Obj *a = new Obj;
　Obj *b = new Obj(1); // 初值為1
　…
　delete a;
　delete b;
}
　　如果用new建立物件陣列，那麼只能使用物件的無引數建構函式。例如

Obj *objects = new Obj[100]; // 建立100個動態物件
　　不能寫成

Obj *objects = new Obj[100](1);// 建立100個動態物件的同時賦初值1
　　在用delete釋放物件陣列時，留意不要丟了符號‘[]’。例如

delete []objects; // 正確的用法
delete objects; // 錯誤的用法
　　後者相當於delete objects[0]，漏掉了另外99個物件。

　　10、一些心得體會
　　我認識不少技術不錯的C++/C程式設計師，很少有人能拍拍胸脯說通曉指標與記憶體管理（包括我自己）。我最初學習C語言時特別怕指標，導致我開發第一個應用軟體（約1萬行C程式碼）時沒有使用一個指標，全用陣列來頂替指標，實在蠢笨得過分。躲避指標不是辦法，後來我改寫了這個軟體，程式碼量縮小到原先的一半。
　　我的經驗教訓是：

　　（1）越是怕指標，就越要使用指標。不會正確使用指標，肯定算不上是合格的程式設計師。

　　（2）必須養成“使用偵錯程式逐步跟蹤程式”的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。

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