C++内存管理学习笔记（3）

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1.C++内存管理

1.1c语言和C++内存分配

1.2区分堆、栈、静态存储区

1.3控制C++的内存分配

1.4内存管理的基本要求

1.5常见的内存错误及对策

1.6指针与数组

C/C++中对数组和指针的掌握是程序员基本的技术功底,对于数组和指针的定义、操作、它们间的区别等内容，详见我另一篇文章《C/C++数组和指针详解》。

这里以学习《c++内存管理技术内幕》为主，对其中的疑点，不明白或者没有说明清楚的地方会在学习笔记中讲解说明，需要特殊讲解的会发单独的文章。

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。<-------这句话说的不恰当！当数组通过new或者malloc创建是，数组内容是在堆中，如果有指针指向这个数组，则这个指针是在栈中。其他情况可以说是要么在静态区创建，或者在栈上申请。

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。

（1）修改内容的方式

下面示例中，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。

   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;

（2）复制内容以及内容比较的方式

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。

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。

   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:

   8: // 指针…

   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）计算内存容量

用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。如下示例中，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。

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

   2: char *p = a;

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

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

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

   1: void Func(char a[100])

   2: {

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

   4: }

1.7指针参数是如何传递内存？

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。如下示例中，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，为什么？

   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: }

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。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”，见示例：

   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，见示例：

   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：

   1: char *GetString(void)

   2: {

   3: 　  char p[] = "hello world";

   4: 　  return p; // 编译器将提出警告

   5: }

6:

   7: void Test4(void)

   8: {

   9: 　  char *str = NULL;

  10: 　  str = GetString(); // str 的内容是垃圾

  11: 　  cout<< str << endl;

  12: }

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。

如果把上述示例改写成如下示例，会怎么样？

   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。

1.8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

   1: char *p = NULL;

   2: 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域范围。这种情况让人防不胜防，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“野指针”

16:

  17: }

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。

ps：编写程序查看这个问题

上面的这个示例程序，这样写没有错误的，请看程序（dev-c++）

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A():b(5){}
void func(void){cout<<"func of class A"<<"输出b="<<b<<endl;}
private:
int b;
};
//void test(A* p)
//{
// A a;
// p = &a;
// cout<<"作用域内p地址"<<&p<<endl;
// cout<<"作用域内p指向的内容："<<p<<endl;
//}
int main()
{
A *p;
cout<<"指针p址初始地址"<<&p<<endl;
cout<<"指针p址初始地址内容"<<p<<endl;;
{
A a;
p = &a;
cout<<"作用域内p地址"<<&p<<endl;
cout<<"作用域内p指向的内容："<<p<<endl;
}
// test(p);
cout<<"指针p地址："<<&p<<endl;
cout<<"指针p指向内容"<<p<<endl;
p->func();
system("PAUSE");
return 0;
}

输出为：

可见，编译器这种情况下是没有把{ }作为一个区域的，如果将程序中使用注释掉的代码，则结果是：

可见，虽然test函数传入的指针地址变了，但是函数结束后指针p释放，地址和指向的内容没有变，此时类A中数据不存了，所以输出的b是一个随机值。

程序编译没有报错！。。。

1.9malloc/free和new/delete的区别

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：

   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)); // 申请动态内存

  13: 　  a->Initialize(); // 初始化

  14: 　  //…

15:

  16: 　  a->Destroy(); // 清除工作

  17: 　  free(a); // 释放内存

  18: }

19:

  20: void UseNewDelete(void)

  21: {

  22:   　Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化

  23: 　  //…

  24: 　  delete a; // 清除并且释放内存

  25: }

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”，结果也会导致程序出错，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。

1.10 当内存耗尽是怎么办？

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：

   1: void Func(void)

   2: {

   3: 　  A *a = new A;

   4: 　  if(a == NULL)

   5: 　  {

   6: 　  　return;

   7:   　}

8:

   9: 　  …

  10: }

（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：

   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）为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++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。

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Windows 98下用Visual C++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，Window 98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。

   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的使用要点

函数malloc的原型如下：

   1: void * malloc(size_t size);

用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：

   1: 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：
```
   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：
```
   1: void free( 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。

1.12new和delete使用要点

运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，例如：
```
   1: int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
```
```
   2: int *p2 = new int[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
```
   1: class Obj
```
```
   2: {
```
```
   3: public :
```
```
   4: 　　Obj(void); // 无参数的构造函数
```
```
   5: 　　Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
```
```
   6:  
```
```
   7: 　　…
```
```
   8: }
```
```
   9:  
```
```
  10: void Test(void)
```
```
  11: {
```
```
  12:     　Obj *a = new Obj;
```
```
  13:     　Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
```
```
  14:     
```
```
  15:     　…
```
```
  16:     
```
```
  17:       delete a;
```
```
  18:     　delete b;
```
```
  19: }
```
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：
```
   1: Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象
```
不能写成：
```
   1: Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1
```
在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如：
```
   1: delete []objects; // Correct
```
```
   2: delete objects; // Wrong
```
后者有可能引起程序崩溃和内存泄漏。

PS：C++内存管理部分详解已经学习完，做好了学习笔记。接下来需要学习C++中健壮的一种指针：一种智能指针，或者说是smart pointers，以及它的特性等，这部分内容需要对C++理解比较深些，会花一些时间学习。

参考文献：c++内存管理学习纲要；

Edit 2013/6/9 11：12 by Atlas