高質量 C++/C 編程指南 林銳 摘要 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。

(4)文字常量區:像這樣:char *p="hello";     //是存儲在文字常量區,該內容不可以被修改。

(5)程序代碼區:存放的是函數體二進制代碼

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症狀,時隱時現,增加了改錯的難度。

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,因爲他們沒有意識到內存分配會不成功。常用的解決辦法是,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。

(2)內存分配成功,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。

(3)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。

(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)。

3、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”。

4、總之,寫程序時應做到:

(1)用malloc或new申請內存之後,應該立即檢查指針是否爲NULL.防止使用指針值爲NULL的內存。

(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。

(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”的操作。

(4)動態內存的申請與釋放必須配對,防止內存泄露。

(5)用free或delete 釋放了內存之後,立即將指針設置爲BULL,防止產生“野指針”。


5、指針和數組的對比:

(1)修改內容,例如修改下面的代碼:

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;

數組a的容量爲6個字符,a的內容可以改變。指針p指向常量字符串“world” (位於靜態存儲區,內容爲 world\0 ),常量字符串的內容是不可以修改的,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。


6、指針參數是如何傳遞內存的?

如果函數的參數是一個指針,不要指望用該指針申請動態內存,示例1中,test函數的語句getmemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的內存,str依舊是NULL,爲什麼?

示例1(試圖用指針參數申請動態內存):

void getmemory(char *p, int num)

{

p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

}

void test(void)

{

char *str = NULL;

getmemory(str, 100);  //str仍然爲NULL

strcpy(str, "hello");  //運行錯誤

}

毛病出在函數getmemory中,編譯器總是要爲函數的每個參數製作臨時副本,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。這就是指針可以用做輸出參數的原因。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絲毫沒有改變,所以函數getmemory並不能輸出任何東西。事實上,沒執行一次getmemory就會泄露一塊內存,因爲沒有用free釋放內存。


如果非得要用指針參數去申請內存,那麼應該用”指向指針的指針“,見示例2:

示例2:

void getmemory2(cahr **p, int num)

{

*p = (char *)malloc(sizeof(char ) * num);

}

void test2(void)

{

char *str = NULL;

getmemory(&str, 100);  //注意參數是&str,而不是str

strcpy(str , "hello");

cout<< str << endl;

free(str);

}

由於”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。這種方法更簡單,見示例3

示例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);

}

用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然很好用,但是常常有人把return 語句用錯了。這裏強調不要用return語句返回值向”棧內存“的指針,因爲該內存在函數在結束時自動消亡,見示例4;

示例4:

char *getstring(void)

{

char p[] = "hello world";

return p;      //編譯器將提示警告

}

void test4(void)

{

char *str = NULL;

str = getstring();       //str的內容是垃圾

cout<< str << endl;

}


用調試器 逐步跟蹤test4,發現執行str = getstring語句後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該成示例5,會怎麼樣?

示例5:

char *getstring2(void)

{

char *p = "hello world";

return p;

}

void test5(void)

{

char *str = NULL;

str = getstring2();

cout<< str <<endl;

}

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。因爲getstring2內的”hello world “是常量字符串,位於靜態存儲區,它在程序生命期內恆定不變。無論什麼時候調用getstring2,它返回的始終是同一個”只讀“的內存塊。


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