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<H5>经典收藏之 - C++内存管理详解</H5></DIV>
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<P>发表日期:2006-6-28<BR>更新日期:2006-6-28<BR>作者文章阅读次数:4507</P></DIV></DIV>
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<P>源自：<A href="http://dev.csdn.net/author/xpzhang/index.html"
target=_blank>PingPong</A> (<A title=点击进入作者个人网站
href="http://blog.csdn.net/xpzhang/" target=_blank>个人网站</A>) 标签：<A
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<P>您认为本文应该得 <SELECT id=oPointRange name=oPointValue><OPTION
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<DIV class=con_sample>
<P>伟大的Bill Gates 曾经失言： 640K ought to be enough for everybody — Bill Gates 1981
程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。本文的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地通晓内存管理。</P></DIV>
<DIV class=con_all>
<P>伟大的Bill Gates 曾经失言：<BR><BR> 640K ought to be enough for everybody — Bill
Gates 1981
<BR><BR> 程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。本文的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地通晓内存管理。<BR><BR> <STRONG>1、内存分配方式</STRONG><BR><BR> 内存分配方式有三种：<BR><BR> （1）从静态存储区域分配。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。例如全局变量，static变量。<BR><BR> （2）在栈上创建。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。<BR><BR> （3）
从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete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。<BR><BR> <STRONG>2、常见的内存错误及其对策</STRONG><BR><BR> 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。
常见的内存错误及其对策如下：<BR><BR> *
内存分配未成功，却使用了它。<BR><BR> 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<BR><BR> 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。<BR><BR> *
内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。<BR><BR> 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。<BR><BR> *
内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。<BR><BR> 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。<BR><BR> *
忘记了释放内存，造成内存泄露。<BR><BR> 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。<BR><BR> 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）。<BR><BR> *
释放了内存却继续使用它。<BR> <BR> 有三种情况：<BR><BR> （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。<BR><BR> （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。<BR><BR> （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”。<BR><BR> 【规则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。<BR><BR> 【规则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。<BR><BR> 【规则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。<BR><BR> 【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。<BR><BR> 【规则5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。<BR><BR> <STRONG>3、指针与数组的对比</STRONG><BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR> 下面以字符串为例比较指针与数组的特性。<BR><BR> 3.1
修改内容<BR><BR> 示例3-1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。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char a[] = “hello”;<BR>a[0] = ‘X’;<BR>cout << a <<
endl;<BR>char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串<BR>p[0] = ‘X’; //
编译器不能发现该错误<BR>cout << p <<
endl;</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例3.1 修改数组和指针的内容<BR><BR> 3.2
内容复制与比较<BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>// 数组…<BR>char a[] = "hello";<BR>char b[10];<BR>strcpy(b, a); // 不能用 b
= a;<BR>if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)<BR>…<BR>// 指针…<BR>int len
= strlen(a);<BR>char *p = (char
*)malloc(sizeof(char)*(len+1));<BR>strcpy(p,a); // 不要用 p =
a;<BR>if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p ==
a)<BR>…</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例3.2 数组和指针的内容复制与比较<BR><BR> 3.3
计算内存容量<BR><BR> 用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。示例7-3-3（a）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。<BR><BR> 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。示例7-3-3（b）中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char
*)。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char a[] = "hello world";<BR>char *p = a;<BR>cout<< sizeof(a)
<< endl; // 12字节<BR>cout<< sizeof(p) << endl; //
4字节</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例3.3（a） 计算数组和指针的内存容量<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>void Func(char a[100])<BR>{<BR> cout<< sizeof(a) << endl;
// 4字节而不是100字节<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE>
<P> 示例3.3（b） 数组退化为指针</P>
<P> <STRONG>4、指针参数是如何传递内存的？<BR><BR></STRONG> 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。示例7-4-1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？<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>void GetMemory(char *p, int num)<BR>{<BR> p = (char
*)malloc(sizeof(char) * num);<BR>}<BR>void Test(void)<BR>{<BR> char *str =
NULL;<BR> GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL <BR> strcpy(str, "hello");
// 运行错误<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例4.1
试图用指针参数申请动态内存<BR><BR> 毛病出在函数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。<BR><BR> 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4.2。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>void GetMemory2(char **p, int num)<BR>{<BR> *p = (char
*)malloc(sizeof(char) * num);<BR>}<BR>void Test2(void)<BR>{<BR> char *str
= NULL;<BR> GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是
&str，而不是str<BR> strcpy(str, "hello"); <BR> cout<< str <<
endl;<BR> free(str);
<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例4.2用指向指针的指针申请动态内存<BR><BR> 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4.3。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char *GetMemory3(int num)<BR>{<BR> char *p = (char
*)malloc(sizeof(char) * num);<BR> return p;<BR>}<BR>void
Test3(void)<BR>{<BR> char *str = NULL;<BR> str = GetMemory3(100);
<BR> strcpy(str, "hello");<BR> cout<< str <<
endl;<BR> free(str); <BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例4.3
用函数返回值来传递动态内存<BR><BR> 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4.4。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char *GetString(void)<BR>{<BR> char p[] = "hello world";<BR> return p;
// 编译器将提出警告<BR>}<BR>void Test4(void)<BR>{<BR> char *str = NULL;<BR> str =
GetString(); // str 的内容是垃圾<BR> cout<< str <<
endl;<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例4.4
return语句返回指向“栈内存”的指针<BR><BR> 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。<BR>如果把示例4.4改写成示例4.5，会怎么样？<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char *GetString2(void)<BR>{<BR> char *p = "hello world";<BR> return
p;<BR>}<BR>void Test5(void)<BR>{<BR> char *str = NULL;<BR> str =
GetString2();<BR> cout<< str <<
endl;<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例4.5
return语句返回常量字符串<BR><BR> 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。<BR><BR> <STRONG>5、杜绝“野指针”</STRONG><BR><BR> “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：<BR><BR> （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<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>char *p = NULL;<BR>char *str = (char *)
malloc(100);</TD></TR></TBODY></TABLE><BR> （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。<BR><BR> （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：<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>class A <BR>{ <BR> public:<BR> void Func(void){ cout << “Func
of class A” << endl; }<BR>};<BR>void Test(void)<BR>{<BR> A
*p;<BR> {<BR> A a;<BR> p = &a; // 注意 a 的生命期<BR> }<BR> p->Func();
// p是“野指针”<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE></P>
<P><BR> 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。</P>
<P> <STRONG>6、有了malloc/free为什么还要new/delete？<BR><BR></STRONG> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR>
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6。<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>class Obj<BR>{<BR> public :<BR> Obj(void){ cout <<
“Initialization” << endl; }<BR> ~Obj(void){ cout << “Destroy”
<< endl; }<BR> void Initialize(void){ cout <<
“Initialization” << endl; }<BR> void Destroy(void){ cout <<
“Destroy” << endl; }<BR>};<BR>void UseMallocFree(void)<BR>{<BR> Obj
*a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存<BR> a->Initialize(); //
初始化<BR> //…<BR> a->Destroy(); // 清除工作<BR> free(a); // 释放内存<BR>}<BR>void
UseNewDelete(void)<BR>{<BR> Obj *a = new Obj; //
申请动态内存并且初始化<BR> //…<BR> delete a; //
清除并且释放内存<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE> 示例6
用malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理<BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR> 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。<BR><BR> <STRONG>7、内存耗尽怎么办？</STRONG><BR><BR> 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。<BR><BR> （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：<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>void Func(void)<BR>{<BR> A *a = new A;<BR> if(a ==
NULL)<BR> {<BR> return;<BR> }<BR> …<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE><BR> （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：<BR><BR>
<TABLE borderColor=#cccccc width="90%" align=center bgColor=#e3e3e3 border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD>void Func(void)<BR>{<BR> A *a = new A;<BR> if(a ==
NULL)<BR> {<BR> cout << “Memory Exhausted” <<
endl;<BR> exit(1);<BR> }<BR> …<BR>}</TD></TR></TBODY></TABLE><BR> （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。<BR><BR> 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。<BR><BR> 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？”<BR><BR> 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。<BR><BR> 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
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