275 阿裏雲技術社區[雲棲]

C++內存管理學習筆記（3）

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以前學習筆記內容回顧:傳送門,傳送門2.

1.C++內存管理

1.1c語言和C++內存分配

1.2區分堆、棧、靜態存儲區

1.3控製C++的內存分配

1.4內存管理的基本要求

1.5常見的內存錯誤及對策

1.6指針與數組

C/C++中對數組和指針的掌握是程序員基本的技術功底,對於數組和指針的定義、操作、它們間的區別等內容，詳見我另一篇文章《C/C++數組和指針詳解》。

這裏以學習《c++內存管理技術內幕》為主，對其中的疑點，不明白或者沒有說明清楚的地方會在學習筆記中講解說明，需要特殊講解的會發單獨的文章。

C++/C程序中，指針和數組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。

數組要麼在靜態存儲區被創建（如全局數組），要麼在棧上被創建。<-------這句話說的不恰當！當數組通過new或者malloc創建是，數組內容是在堆中，如果有指針指向這個數組，則這個指針是在棧中。其他情況可以說是要麼在靜態區創建，或者在棧上申請。

數組名對應著（而不是指向）一塊內存，其地址與容量在生命期內保持不變，隻有數組的內容可以改變。指針可以隨時指向任意類型的內存塊，它的特征是“可變”，所以我們常用指針來操作動態內存。指針遠比數組靈活，但也更危險。

下麵以字符串為例比較指針與數組的特性。

（1）修改內容的方式

下麵示例中，字符數組a的容量是6個字符，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指針p指向常量字符串“world”（位於靜態存儲區，內容為world），常量字符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符串的內容而導致運行錯誤。

   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’; // 編譯器不能發現該錯誤

   6: cout << p << endl;

（2）複製內容以及內容比較的方式

不能對數組名進行直接複製與比較。若想把數組a的內容複製給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函數strcpy進行複製。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函數strcmp進行比較。

語句p = a 並不能把a的內容複製指針p，而是把a的地址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內存，再用strcpy進行字符串複製。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函數strcmp來比較。

   1: // 數組…

   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:

   8: // 指針…

   9: int len = strlen(a);

  10: char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));

  11: strcpy(p,a); // 不要用 p = a;

  12: if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)

  13: …

（3）計算內存容量

用運算符sizeof可以計算出數組的容量（字節數）。如下示例中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指針p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的內存容量。C++/C語言沒有辦法知道指針所指的內存容量，除非在申請內存時記住它。

   1: char a[] = "hello world";

   2: char *p = a;

   3: cout<< sizeof(a) << endl; //12Bytes

   4: cout<< sizeof(a) << endl; //4 Bytes

注意當數組作為函數的參數進行傳遞時，該數組自動退化為同類型的指針。如下示例中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。

   1: void Func(char a[100])

   2: {

   3: 　   cout<< sizeof(a) << endl; // 4Bytes,not 100Bytes

   4: }

1.7指針參數是如何傳遞內存？

如果函數的參數是一個指針，不要指望用該指針去申請動態內存。如下示例中，Test函數的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的內存，str依舊是NULL，為什麼？

   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 仍然為 NULL

   9:   　strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤

  10: }

問題出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數製作臨時副本，指針參數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數體內的程序修改了_p的內容，就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針可以用作輸出參數的原因。在本例中，_p申請了新的內存，隻是把_p所指的內存地址改變了，但是p絲毫未變。所以函數GetMemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會泄露一塊內存，因為沒有用free釋放內存。

如果非得要用指針參數去申請內存，那麼應該改用“指向指針的指針”，見示例：

   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); // 注意參數是 &str，而不是str

   9: 　  strcpy(str, "hello");

  10: 　  cout<< str << endl;

  11: 　  free(str);

  12: }

由於“指向指針的指針”這個概念不容易理解，我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。這種方法更加簡單，見示例：

   1: char *GetMemory3(int num)

   2: {

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

   4:   　return p;

   5: }

6:

   7: void Test3(void)

   8: {

   9:   　char *str = NULL;

  10: 　  str = GetMemory3(100);

  11: 　  strcpy(str, "hello");

  12: 　  cout<< str << endl;

  13: 　  free(str);

  14: }

用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裏強調不要用return語句返回指向“棧內存”的指針，因為該內存在函數結束時自動消亡，見示例：

   1: char *GetString(void)

   2: {

   3: 　  char p[] = "hello world";

   4: 　  return p; // 編譯器將提出警告

   5: }

6:

   7: void Test4(void)

   8: {

   9: 　  char *str = NULL;

  10: 　  str = GetString(); // str 的內容是垃圾

  11: 　  cout<< str << endl;

  12: }

用調試器逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指針，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。

如果把上述示例改寫成如下示例，會怎麼樣？

   1: char *GetString2(void)

   2: {

   3: 　  char *p = "hello world";

   4: 　  return p;

   5: }

6:

   7: void Test5(void)

   8: {

   9: 　  char *str = NULL;

  10: 　  str = GetString2();

  11: 　  cout<< str << endl;

  12: }

函數Test5運行雖然不會出錯，但是函數GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2內的“hello world”是常量字符串，位於靜態存儲區，它在程序生命期內恒定不變。無論什麼時候調用GetString2，它返回的始終是同一個“隻讀”的內存塊。

1.8杜絕“野指針”

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

（1）指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成為NULL指針，它的缺省值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指針變量在創建的同時應當被初始化，要麼將指針設置為NULL，要麼讓它指向合法的內存。例如

   1: char *p = NULL;

   2: char *str = (char *) malloc(100);

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

（3）指針操作超越了變量的作用域範圍。這種情況讓人防不勝防，示例程序如下：

   1: class A

   2: {

   3: public:

   4: 　　void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }

   5: };

6:

   7: void Test(void)

   8: {

   9:   　A *p;

  10:   　{

  11: 　  　A a;

  12: 　  　p = &a; // 注意 a 的生命期

  13: 　  }

14:

  15: 　  p->Func(); // p是“野指針”

16:

  17: }

函數Test在執行語句p->Func()時，對象a已經消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指針”。但奇怪的是我運行這個程序時居然沒有出錯，這可能與編譯器有關。

ps：編寫程序查看這個問題

上麵的這個示例程序，這樣寫沒有錯誤的，請看程序（dev-c++）

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A():b(5){}
	void func(void){cout<<"func of class A"<<"輸出b="<<b<<endl;}
private:
	int b;
};
//void test(A* p)
//{
//	A a;
//	p = &a; 
//	cout<<"作用域內p地址"<<&p<<endl;
//	cout<<"作用域內p指向的內容："<<p<<endl;
//}	
int main()
{
	A *p;
	cout<<"指針p址初始地址"<<&p<<endl;
	cout<<"指針p址初始地址內容"<<p<<endl;;
	{
		A a;
		p = &a; 
		cout<<"作用域內p地址"<<&p<<endl;
		cout<<"作用域內p指向的內容："<<p<<endl;
	}
		
//	test(p);
	cout<<"指針p地址："<<&p<<endl;
	cout<<"指針p指向內容"<<p<<endl;
	p->func();
	
	system("PAUSE");
	return 0;
}

輸出為：

可見，編譯器這種情況下是沒有把{ }作為一個區域的，如果將程序中使用注釋掉的代碼，則結果是：

可見，雖然test函數傳入的指針地址變了，但是函數結束後指針p釋放，地址和指向的內容沒有變，此時類A中數據不存了，所以輸出的b是一個隨機值。

程序編譯沒有報錯！。。。

1.9malloc/free和new/delete的區別

malloc與free是C++/C語言的標準庫函數，new/delete是C++的運算符。它們都可用於申請動態內存和釋放內存。

對於非內部數據類型的對象而言，光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。對象在創建的同時要自動執行構造函數，對象在消亡之前要自動執行析構函數。由於malloc/free是庫函數而不是運算符，不在編譯器控製權限之內，不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加於malloc/free。

因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new，以及一個能完成清理與釋放內存工作的運算符delete。注意new/delete不是庫函數。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理，見示例：

   1: class Obj

   2: {

   3: public :

   4: 　　Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }

   5: 　　~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }

   6: 　　void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }

   7: 　　void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }

   8: };

9:

  10: void UseMallocFree(void)

  11: {

  12: 　  Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態內存

  13: 　  a->Initialize(); // 初始化

  14: 　  //…

15:

  16: 　  a->Destroy(); // 清除工作

  17: 　  free(a); // 釋放內存

  18: }

19:

  20: void UseNewDelete(void)

  21: {

  22:   　Obj *a = new Obj; // 申請動態內存並且初始化

  23: 　  //…

  24: 　  delete a; // 清除並且釋放內存

  25: }

類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能，函數Destroy模擬了析構函數的功能。函數UseMallocFree中，由於malloc/free不能執行構造函數與析構函數，必須調用成員函數Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函數UseNewDelete則簡單得多。所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存管理，應該用new/delete。由於內部數據類型的“對象”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++程序經常要調用C函數，而C程序隻能用malloc/free管理動態內存。如果用free釋放“new創建的動態對象”，那麼該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態內存”，結果也會導致程序出錯，但是該程序的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。

1.10 當內存耗盡是怎麼辦？

如果在申請動態內存時找不到足夠大的內存塊，malloc和new將返回NULL指針，宣告內存申請失敗。通常有三種方式處理“內存耗盡”問題。

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

   1: void Func(void)

   2: {

   3: 　  A *a = new A;

   4: 　  if(a == NULL)

   5: 　  {

   6: 　  　return;

   7:   　}

8:

   9: 　  …

  10: }

（2）判斷指針是否為NULL，如果是則馬上用exit(1)終止整個程序的運行。例如：

   1: void Func(void)

   2: {

3:

   4: 　  A *a = new A;

   5: 　  if(a == NULL)

   6: 　  {

   7: 　  　cout << “Memory Exhausted” << endl;

   8: 　  　exit(1);

   9: 　  }

10:

  11: 　  …

  12: }

（3）為new和malloc設置異常處理函數。例如Visual C++可以用_set_new_hander函數為new設置用戶自己定義的異常處理函數，也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函數。詳細內容請參考C++使用手冊。

上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函數內有多處需要申請動態內存，那麼方式（1）就顯得力不從心（釋放內存很麻煩），應該用方式（2）來處理。

很多人不忍心用exit(1)，問：“不編寫出錯處理程序，讓操作係統自己解決行不行？”

不行。如果發生“內存耗盡”這樣的事情，一般說來應用程序已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程序殺死，它可能會害死操作係統。

有一個很重要的現象要告訴大家。對於32位以上的應用程序而言，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致“內存耗盡”。我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程序，見示例7。這個程序會無休止地運行下去，根本不會終止。因為32位操作係統支持“虛存”，內存用完了，自動用硬盤空間頂替。我隻聽到硬盤嘎吱嘎吱地響，Window 98已經累得對鍵盤、鼠標毫無反應。

我可以得出這麼一個結論：對於32位以上的應用程序，“內存耗盡”錯誤處理程序毫無用處。這下可把Unix和Windows程序員們樂壞了：反正錯誤處理程序不起作用，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序的質量很差，千萬不可因小失大。

   1: void main(void)

   2: {

   3:     float *p = NULL;

   4:     while(TRUE)

   5:     {

   6:         p = new float[1000000];

   7:         cout << “eat memory” << endl;

   8:         if(p==NULL)

   9:         exit(1);

  10:     }

  11: }

1.11malloc和free的使用要點

函數malloc的原型如下：

   1: void * malloc(size_t size);

用malloc申請一塊長度為length的整數類型的內存，程序如下：

   1: int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);

我們應當把注意力集中在兩個要素上：“類型轉換”和“sizeof”。

malloc返回值的類型是void *，所以在調用malloc時要顯式地進行類型轉換，將void * 轉換成所需要的指針類型。

malloc函數本身並不識別要申請的內存是什麼類型，它隻關心內存的總字節數。我們通常記不住int, float等數據類型的變量的確切字節數。例如int變量在16位係統下是2個字節，在32位下是4個字節；而float變量在16位係統下是4個字節，在32位下也是4個字節。最好用以下程序作一次測試：

   1: cout << sizeof(char) << endl;

   2: cout << sizeof(int) << endl;

   3: cout << sizeof(unsigned int) << endl;

   4: cout << sizeof(long) << endl;

   5: cout << sizeof(unsigned long) << endl;

   6: cout << sizeof(float) << endl;

   7: cout << sizeof(double) << endl;

   8: cout << sizeof(void *) << endl;

在malloc的“()”中使用sizeof運算符是良好的風格，但要當心有時我們會昏了頭，寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程序來。

函數free的原型如下：

   1: void free( void * memblock );

為什麼free函數不象malloc函數那樣複雜呢？這是因為指針p的類型以及它所指的內存的容量事先都是知道的，語句free(p)能正確地釋放內存。如果p是NULL指針，那麼free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是NULL指針，那麼free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。

1.12new和delete使用要點

運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多，例如：

   1: int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

   2: int *p2 = new int[length];

這是因為new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對於非內部數據類型的對象而言，new在創建動態對象的同時完成了初始化工作。如果對象有多個構造函數，那麼new的語句也可以有多種形式。例如

   1: class Obj

   2: {

   3: public :

   4: 　　Obj(void); // 無參數的構造函數

   5: 　　Obj(int x); // 帶一個參數的構造函數

6:

   7: 　　…

   8: }

9:

  10: void Test(void)

  11: {

  12:     　Obj *a = new Obj;

  13:     　Obj *b = new Obj(1); // 初值為1

14:

  15:     　…

16:

  17:       delete a;

  18:     　delete b;

  19: }

如果用new創建對象數組，那麼隻能使用對象的無參數構造函數。例如：

   1: Obj *objects = new Obj[100]; // 創建100個動態對象

不能寫成：

   1: Obj *objects = new Obj[100](1);// 創建100個動態對象的同時賦初值1

在用delete釋放對象數組時，留意不要丟了符號‘[]’。例如：

   1: delete []objects; // Correct

   2: delete objects; // Wrong

後者有可能引起程序崩潰和內存泄漏。

PS：C++內存管理部分詳解已經學習完，做好了學習筆記。接下來需要學習C++中健壯的一種指針：一種智能指針，或者說是smart pointers，以及它的特性等，這部分內容需要對C++理解比較深些，會花一些時間學習。

參考文獻：c++內存管理學習綱要；

Edit 2013/6/9 11：12 by Atlas

最後更新：2017-04-03 18:52:09

C++內存管理學習筆記（3）

1.6指針與數組

1.7指針參數是如何傳遞內存？

1.8杜絕“野指針”

1.9malloc/free和new/delete的區別

1.10 當內存耗盡是怎麼辦？

1.11malloc和free的使用要點

1.12new和delete使用要點

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1.6指針與數組

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