七、内存管理
在写C/C++程序的时候，最头疼的部分一定包括内存管理，一提到内存管理总是提心吊胆，但是又不可避免地常常会遇到，而这块的知识也是公司招聘的一个评价方面，能够很好地体现笔试面试者的功底。这部分的内容稍深一些，大家细心阅读，能对内存管理有一个比较好的把握。
7.1 内存分配的方式
最长被问到的问题之一，基础中的基础。对C和C++而言，内存分配方式有三种：
1）从静态存储区域分配。例如程序中定义的全局变量和static变量就是这种方式分配内存的。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。
2）在栈上创建。这是出现最多的情况，我们程序中的int var就是这种情况的内存分配方式。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m a lloc 或new 申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free 或de lete 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。
6.2 常见的内存错误及其相应建议
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。
常见的内存错误和处理方法如下：
1）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。
2）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。
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。
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。
4）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）。
5）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”。
针对以上这些稍不留神，一疏忽就容易犯的错误，这里提出以下建议：
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。
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。
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。
4）动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
5）用free 或delete 释放了内存之后，立即将指针设置为NUL L ，防止产生“野指针”
6.3 指针与数组
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。下面从一些角度说明指针和数组的不同。
1）关于两者的内容修改
一个例子，以下程序：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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
- cout << p << endl;</span></span>
字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello\0（位于栈上）。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。
2）关于两者进行内容复制
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。
具体的例子如下程序所示：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">// 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)</span></span>
3）关于两者内存容量的计算
用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。如下例程序中，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。
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">char a[] = "hello world";
- char *p = a;
- cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节
- cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节</span></span>
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。如下例中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void Func(char a[100])
- {
- cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
- } </span></span>
6.4 指针参数怎么传递内存
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。如下例中，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。
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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
- } </span></span>
我们来分析一下，其实上例的问题出在函数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（形参有时候就是很害人）。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。
那如果笔试题或者面试官问，我一定要用指针参数去申请内存，我们怎么做呢？好吧，那就耍个小花招，改用“指向指针的指针”好啦。如下程序所示：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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);
- } </span></span>
什么，你觉得“指向指针的指针”不是很容易理解？好吧，那换一种方式，我们可以用函数返回值来传递动态内存。如下程序所示：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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);
- } </span></span>
写到这里，又有一个可能会犯的错误需要提一下了，很重要，大家一定要注意了。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！如下程序所示：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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;
- } </span></span>
如果用调试器逐步跟踪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。
写到这里，又有人提出问题了，如果上例中的hello world是常字符串，那会怎么样呢，就如下程序所示：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">char *GetString2(void)
- {
- char *p = "hello world";
- return p;
- }
- void Test5(void)
- {
- char *str = NULL;
- str = GetString2();
- cout<< str << endl;
- }</span></span>
那这里要说明的是，事实上这段程序运行不会出错，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，所以没有太大的意义。
6.5 关于free和delete
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，但指针本身却被留下来了。
用调试器跟踪下例，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。
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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
- } </span></span>
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。
6.6 动态内存会随程序结束自动释放吗
现在有这样一个例子：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void Func(void)
- {
- char *p = (char *) malloc(100); // 动态内存会自动释放吗？
- }</span></span>
我们都知道函数体内的局部变量会在函数结束时自动消亡。这里p是局部的指针变量，程序结束后它会消亡，但是它消亡时它所指的动态内存会一起完蛋吗？答案是：并不会...
这里有两条非常有趣的结论，分别是：
（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。
6.7 关于“野指针”
“野指针”是最可怕的一类指针，它不是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
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">char *p = NULL;
- char *str = (char *) malloc(100); </span></span>
（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。上一节也提到了这个问题。
（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：现在有这样一个例子：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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”
- } </span></span>
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”。
6.8 malloc/free和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。
malloc/free和new/delete实现对象的动态内存管理的方法是不同的，下面是一个示例：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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)); // 申请动态内存
- a->Initialize(); // 初始化
- //…
- a->Destroy(); // 清除工作
- free(a); // 释放内存
- }
- void UseNewDelete(void)
- {
- Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
- //…
- delete a; // 清除并且释放内存
- }</span></span>
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。
6.9 关于“内存耗尽”问题
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：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void Func(void)
- {
- A *a = new A;
- if(a == NULL)
- {
- return;
- }
- …
- } </span></span>
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：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void Func(void)
- {
- A *a = new A;
- if(a == NULL)
- {
- cout << “Memory Exhausted”<< endl;
- exit(1);
- }
- …
- } </span></span>
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。
虽然对于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”。但是：不加错误处理将导致程序的质量很差，千万不可因小失大。
6.10 再说malloc/free
函数malloc的原型如下：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void * malloc(size_t size); </span></span>
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length); </span></span>
我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。
1）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。
2）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：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">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; </span></span>
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。
3）函数free的原型如下：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">void free( void * memblock ); </span></span>
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。
6.11 再说new/delete
运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，例如：
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
- int *p2 = new int[length]; </span></span>
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
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">class Obj
- {
- public :
- Obj(void); // 无参数的构造函数
- Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
- …
- }
- void Test(void)
- {
- Obj *a = new Obj;
- Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
- …
- delete a;
- delete b;
- } </span></span>
如果用new创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象</span></span>
不能写成
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1 </span></span>
在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如
- <span style="font-size:14px"><span style="font-family:SimSun">delete []objects; // 正确的用法
- delete objects; // 错误的用法</span></span>
后者相当于delete objects[0]，漏掉了另外99个对象。
6.12 总结
知识点在上已经一一叙述过了，这里总结两句话：
1）越是怕指针，就越要使用指针。不会正确使用指针，肯定算不上是合格的程序员。
2）必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯，只有这样才能发现问题的本质。
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