第7章 内存管理
欢迎进入内存这片雷区。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。本章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。
7.1内存分配方式
内存分配方式有三种：
（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。
（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。
（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。
7.2常见的内存错误及其对策
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：
u 内存分配未成功，却使用了它。
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。
u 内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。
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。
u 内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。
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。
u 忘记了释放内存，造成内存泄露。
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。
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）。
u 释放了内存却继续使用它。
有三种情况：
（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。
（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。
（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”。
l 【规则7-2-1】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。
l 【规则7-2-2】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。
l 【规则7-2-3】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。
l 【规则7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
l 【规则7-2-5】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”。
7.3指针与数组的对比
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。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。
7.3.1 修改内容
示例7-3-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello\0。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\0），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。
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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’; // 编译器不能发现该错误 cout << p << endl; |
示例7-3-1 修改数组和指针的内容
7.3.2 内容复制与比较
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。
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。
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// 数组… 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) … |
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// 指针… 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) … |
示例7-3-2 数组和指针的内容复制与比较
7.3.3 计算内存容量
用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意别忘了’\0’）。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。
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 *)。
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char a[] = "hello world"; char *p = a; cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节 cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节 |
示例7-3-3（a） 计算数组和指针的内存容量
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void Func(char a[100]) { cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节 } |
示例7-3-3（b） 数组退化为指针
7.4指针参数是如何传递内存的？
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？
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void GetMemory(char *p, int num) { p = (char *)malloc(sizeof(char) * num); } |
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void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL strcpy(str, "hello"); // 运行错误 } |
示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存
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。
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7-4-2。
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void GetMemory2(char **p, int num) { *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num); } |
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void Test2(void) { char *str = NULL; GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str strcpy(str, "hello"); cout<< str << endl; free(str); } |
示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存
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7-4-3。
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char *GetMemory3(int num) { char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num); return p; } |
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void Test3(void) { char *str = NULL; str = GetMemory3(100); strcpy(str, "hello"); cout<< str << endl; free(str); } |
示例7-4-3 用函数返回值来传递动态内存
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7-4-4。
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char *GetString(void) { char p[] = "hello world"; return p; // 编译器将提出警告 } |
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void Test4(void) { char *str = NULL; str = GetString(); // str 的内容是垃圾 cout<< str << endl; } |
示例7-4-4 return语句返回指向“栈内存”的指针
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。
如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5，会怎么样？
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char *GetString2(void) { char *p = "hello world"; return p; } |
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void Test5(void) { char *str = NULL; str = GetString2(); cout<< str << endl; } |
示例7-4-5 return语句返回常量字符串
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。
7.5 free和delete把指针怎么啦？
别看free和delete的名字恶狠狠的（尤其是delete），它们只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。
用调试器跟踪示例7-5，发现指针p被free以后其地址仍然不变（非NULL），只是该地址对应的内存是垃圾，p成了“野指针”。如果此时不把p设置为NULL，会让人误以为p是个合法的指针。
如果程序比较长，我们有时记不住p所指的内存是否已经被释放，在继续使用p之前，通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾，此时if语句起不到防错作用，因为即便p不是NULL指针，它也不指向合法的内存块。
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char *p = (char *) malloc(100); strcpy(p, “hello”); free(p); // p 所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变 … if(p != NULL) // 没有起到防错作用 { strcpy(p, “world”); // 出错 } |
示例7-5 p成为野指针
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