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 C++/C编程规范(7.1-7.5)----林  锐2007-04-10 21:10:00

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7 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mallocnew申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用freedelete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mallocnew来申请内存,应该用if(p==NULL) 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mallocfree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freedelete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7-2-1mallocnew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7-2-5freedelete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\0a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。

 

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ba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mallocp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。

 

    // 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)

    // 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7-3-3a)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7-3-3b)中,不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)

 

    char a[] = "hello world";

    char *p  = a;

    cout<< sizeof(a) << endl;   // 12字节

    cout<< sizeof(p) << endl;   // 4字节

示例7-3-3a 计算数组和指针的内存容量

      

    void Func(char a[100])

    {

        cout<< sizeof(a) << endl;   // 4字节而不是100字节

}

示例7-3-3b 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?

 

void GetMemory(char *p, int num)

{

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

}

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

 

void GetMemory2(char **p, int num)

{

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

}

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

 

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

 

char *GetString(void)

{

    char p[] = "hello world";

    return p;   // 编译器将提出警告

}

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?

 

char *GetString2(void)

{

    char *p = "hello world";

    return p;

}

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 freedelete把指针怎么啦?

别看freedelete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pfree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。

 

    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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