內存分配詳解、指針與數組[C++][內存管理]

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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並且排除它們,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。
內存分配方式
   (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於處理器的指令集中,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。
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症狀,時隱時現,增加了改錯的難度。有時用戶怒氣衝衝地把你找來,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:
* 內存分配未成功,卻使用了它

編程新手常犯這種錯誤,因爲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爲NULL。如果指針p是函數的參數,那麼在函數的入口處用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。

* 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;二是誤以爲內存的缺省初值全爲零,導致引用初值錯誤(例如數組)。內存的缺省初值究竟是什麼並沒有統一的標準,儘管有些時候爲零值,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。

* 內存分配成功並且已經初始化,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。

* 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)。

* 釋放了內存卻繼續使用它

有三種情況:

(1)程序中的對象調用關係過於複雜,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。

(2)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”,因爲該內存在函數體結束時被自動銷燬。

(3)使用free或delete釋放了內存後,沒有將指針設置爲NULL。導致產生“野指針”。

【規則1】用malloc或new申請內存之後,應該立即檢查指針值是否爲NULL。防止使用指針值爲NULL的內存。

【規則2】不要忘記爲數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作爲右值使用。

【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釋放了內存之後,立即將指針設置爲NULL,防止產生“野指針”。

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着用,讓人產生一種錯覺,以爲兩者是等價的。

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。數組名對應着(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,它的特徵是“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。

下面以字符串爲例比較指針與數組的特性

1 修改內容

下例中,字符數組a的容量是6個字符,其內容爲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,內容爲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。

#include

void main()
{
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;
}

2 內容複製與比較

不能對數組名進行直接複製與比較。下例中,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 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爲p申請一塊容量爲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。

// 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 計算內存容量

用運算符sizeof可以計算出數組的容量(字節數)。下例(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。這是因爲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。注意當數組作爲函數的參數進行傳遞時,該數組自動退化爲同類型的指針。下例(b)中,不論數組a的容量是多少,sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。

示例(a)

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節
cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節

示例(b)

void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節
}

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