經典分享 C++內存管理詳解
C++內存管理。程序員們經常編寫內存管理程序，往往提心吊膽。如果不想觸雷，唯一的解決辦法就是發現所有潛伏的地雷并且排除它們，躲是躲不了的。本文的內容比一般教科書的要深入得多，讀者需細心閱讀，做到真正地通曉內存管理。
1、內存分配方式
內存分配方式有三種：
（1）從靜態存儲區域分配。
內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量，static變量。
（2）在棧上創建。
在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
（3） 從堆上分配，亦稱動態內存分配。
程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。
2、常見的內存錯誤及其對策
發生內存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程序運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的癥狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時用戶怒氣沖沖地把你找來，程序卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。 常見的內存錯誤及其對策如下：
（1）內存分配未成功，卻使用了它。
編程新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到內存分配會不成功。常用解決辦法是，在使用內存之前檢查指針是否為null。如果指針p是函數的參數，那么在函數的入口處用assert(p!=null)進行
檢查。如果是用malloc或new來申請內存，應該用if(p==null) 或if(p!=null)進行防錯處理。
（2） 內存分配雖然成功，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；二是誤以為內存的缺省初值全為零，導致引用初值錯誤（例如數組）。 內存的缺省初值究竟是什么并沒有統一的標準，盡管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創建數組，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。
（3） 內存分配成功并且已經初始化，但操作越過了內存的邊界。
例如在使用數組時經常發生下標“多1”或者“少1”的操作。特別是在for循環語句中，循環次數很容易搞錯，導致數組操作越界。
（4） 忘記了釋放內存，造成內存泄露。
含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊內存。剛開始時系統的內存充足，你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉，系統出現提示：內存耗盡。
動態內存的申請與釋放必須配對，程序中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。
（5）釋放了內存卻繼續使用它。
有三種情況：
- 程序中的對象調用關系過于復雜，實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了內存，此時應該重新設計數據結構，從根本上解決對象管理的混亂局面。
- 函數的return語句寫錯了，注意不要返回指向“棧內存”的“指針”或者“引用”，因為該內存在函數體結束時被自動銷毀。
- 使用free或delete釋放了內存后，沒有將指針設置為null。導致產生“野指針”。
【規則1】用malloc或new申請內存之后，應該立即檢查指針值是否為null。防止使用指針值為null的內存。
【規則2】不要忘記為數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作為右值使用。
【規則3】避免數組或指針的下標越界，特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。
【規則4】動態內存的申請與釋放必須配對，防止內存泄漏。
【規則5】用free或delete釋放了內存之后，立即將指針設置為null，防止產生“野指針”。
#p#
3、指針與數組的對比
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。
數組要么在靜態存儲區被創建（如全局數組），要么在棧上被創建。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，只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。
下面以字符串為例比較指針與數組的特性。
3.1 修改內容
示例3-1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”（位于靜態存儲區，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，編譯器并不覺得語句p[0]= ‘x’有什么不妥，但是該語句企圖修改常量字符串的內容而導致運行錯誤。
- //示例3.1 修改數組和指針的內容
- 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’; // 編譯器不能發現該錯誤
- cout << p << endl;
3.2 內容復制與比較
不能對數組名進行直接復制與比較。示例7-3-2中，若想把數組a的內容復制給數組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，應該用標準庫函數strcmp進行比較。
語句p = a 并不能把a的內容復制指針p，而是把a的地址賦給了p。要想復制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進行字符串復制。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。
- //示例3.2 數組和指針的內容復制與比較
- // 數組…
- 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)
- …
- // 指針…
- 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)
- …
3.3 計算內存容量
用運算符sizeof可以計算出數組的容量（字節數）。示例7-3-3（a）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，相當于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。
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。示例7-3-3（b）中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。
- char a[] = "hello world";
- char *p = a;
- cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節
- cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節
- //示例3.3（a） 計算數組和指針的內存容量
- void func(char a[100])
- {
- cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節
- }
- //示例3.3（b） 數組退化為指針
#p#
4、指針參數是如何傳遞內存的？
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。示例7-4-1中，test函數的語句getmemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內存，str依舊是null，為什么？
- 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"); // 運行錯誤
- }
- 示例4.1 試圖用指針參數申請動態內存
毛病出在函數getmemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本，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，只是把_p所指的內存地址改變了，但是p絲毫未變。所以函數getmemory并不能輸出任何東西。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，那么應該改用“指向指針的指針”，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); // 注意參數是 &str，而不是str
- strcpy(str, "hello");
- cout<< str << endl;
- free(str);
- }
- 示例4.2用指向指針的指針申請動態內存
由于“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 用函數返回值來傳遞動態內存
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。這里強調不要用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4.4return語句返回指向“棧內存”的指針
用調試器逐步跟蹤test4，發現執行str = getstring語句后str不再是null指針，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，會怎么樣？
- 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語句返回常量字符串
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，位于靜態存儲區，它在程序生命期內恒定不變。無論什么時候調用getstring2，它返回的始終是同一個“只讀”的內存塊。
#p#
5、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，要么將指針設置為null，要么讓它指向合法的內存。例如
- char *p = null;
- char *str = (char *) malloc(100);
（2）指針p被free或者delete之后，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范圍。
這種情況讓人防不勝防，示例程序如下：
- 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“野指針”
- }
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。
6、有了malloc/free為什么還要new/delete？
malloc與free是c++/c語言的標準庫函數，new/delete是c++的運算符。它們都可用于申請動態內存和釋放內存。
對于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。由于malloc/free是庫函數而不是運算符，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加于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)); // 申請動態內存
- a->initialize(); // 初始化
- //…
- a->destroy(); // 清除工作
- free(a); // 釋放內存
- }
- void usenewdelete(void)
- {
- obj *a = new obj; // 申請動態內存并且初始化
- //…
- delete a; // 清除并且釋放內存
- }
- 示例6 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理
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，由于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。由于內部數據類型的“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，為什么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程序只能用malloc/free管理動態內存。
如果用free釋放“new創建的動態對象”，那么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”，理論上講程序不會出錯，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。
#p#
7、內存耗盡怎么辦？
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：
- void func(void)
- {
- a *a = new a;
- if(a == null)
- {
- return;
- }
- …
- }
（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：
- void func(void)
- {
- a *a = new a;
- if(a == null)
- {
- cout << “memory exhausted” << endl;
- exit(1);
- }
- …
- }
（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。
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，那么方式（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，讓操作系統自己解決行不行？”
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。對于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位操作系統支持“虛存”，內存用完了，自動用硬盤空間頂替。我只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。
我可以得出這么一個結論：對于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。
- void main(void)
- {
- float *p = null;
- while(true)
- {
- p = new float[1000000];
- cout << “eat memory” << endl;
- if(p==null)
- exit(1);
- }
- }示例7試圖耗盡操作系統的內存
8、malloc/free 的使用要點
函數malloc的原型如下：
- 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：
- 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”。
（1） 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。
（2） malloc函數本身并不識別要申請的內存是什么類型，它只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位系統下是2個字節，在32位下是4個字節；而float變量在16位系統下是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：
- 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。
（3）函數free的原型如下：
- void free( void * memblock );
為什么free函數不象malloc函數那樣復雜呢？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，那么free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是null指針，那么free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。
#p#
9、new/delete 的使用要點
運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多，例如：
- int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
- int *p2 = new int[length];
這是因為new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對于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，那么new的語句也可以有多種形式。例如
- class obj
- {
- public :
- obj(void); // 無參數的構造函數
- obj(int x); // 帶一個參數的構造函數
- …
- }
- void test(void)
- {
- obj *a = new obj;
- obj *b = new obj(1); // 初值為1
- …
- delete a;
- delete b;
- }
如果用new創建對象數組，那么只能使用對象的無參數構造函數。例如
- obj *objects = new obj[100]; // 創建100個動態對象
不能寫成
- 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
- delete []objects; // 正確的用法
- delete objects; // 錯誤的用法
后者相當于delete objects[0]，漏掉了另外99個對象。
10、一些心得體會
我認識不少技術不錯的c++/c程序員，很少有人能拍拍胸脯說通曉指針與內存管理（包括我自己）。我最初學習c語言時特別怕指針，導致我開發第一個應用軟件（約1萬行c代碼）時沒有使用一個指針，全用數組來頂替指針，實在蠢笨得過分。躲避指針不是辦法，后來我改寫了這個軟件，代碼量縮小到原先的一半。
我的經驗教訓是：
（1）越是怕指針，就越要使用指針。不會正確使用指針，肯定算不上是合格的程序員。
（2）必須養成“使用調試器逐步跟蹤程序”的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。
希望本文能夠給你帶來幫助。
【編輯推薦】
