关于内存分配.docx

1、关于内存分配1 关于内存分配的问题,这是一篇我见过讲的很全面的文章. 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。 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

2、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。 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： a. 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

3、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。 b.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。 C.内存分配成功并且已

4、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。 d.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）。 e.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

5、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

6、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。 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。 2 关于内存分配的问题,这是一篇我见过讲的很全面的文章. 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。 3.1修改内容 示例7-3

7、-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello0。a的内容可以改变，如a0=X。指针p指向常量字符串world（位于静态存储区，内容为world0），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p0=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。 chara=hello; a0=X; coutaendl; char*p=world;/注意p指向常量字符串 p0=X;/编译器不能发现该错误,但运行时会出错！ coutpendl; 示例3-1修改数组和指针的内容 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

8、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。 /数组. chara=hello; charb10; strcpy(b,a);/不能用b=a; if(strcmp(b,a)=0)/不能

9、用if(b=a) . /指针. intlen=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3-2数组和指针的内容复制与比较 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。

10、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*)。 chara=helloworld; char*p=a; coutsizeof(a)endl;/12字节 coutsizeof(p)endl;/4字节 示例7-3-3（a）计算数组和指针的内存容量 voidFunc(chara100) coutsizeof(a)endl;/4字节而不是100字节 示例3-3（b）数组退化为指针 4指针参数是如何传递内存的？ 如

11、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？ / voidGetMemory(char*p,intnum) p=(char*)malloc(sizeof(char)*num); voidTest(void) char*str=NULL; GetMemory(str,100);/str仍然为NULL strcpy(str,hello);/运行错误 示例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

12、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。 3 关于内存分配的问题,这是一篇我见过讲的很全面的文章. voidGetMemory2(char*p,intnum) *p=(char*)malloc(sizeo

13、f(char)*num); voidTest2(void) char*str=NULL; GetMemory2(&str,100);/注意参数是&str，而不是str strcpy(str,hello); coutstrendl; free(str); 示例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(intnum) char*p=(char*)malloc(sizeof(char)*num); returnp; voidTest3(void) char*str

14、=NULL; str=GetMemory3(100); strcpy(str,hello); coutstrendl; 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) charp=helloworld; returnp;/编译器将提出警告 voidTest4(void) char*str=NULL; str=GetString();/str的内容是垃圾

15、coutstrendl; 示例7-4-4return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helloworld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=helloworld;helloworld存促在静态存储区，是只读的！ returnp; voidTest5(void) char*str=NULL; str=GetString2(); coutstrendl; 示例7-4-5return语句返回常量字符串 函数

16、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helloworld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。 7.5free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

17、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7-5p成为野指针 6动态内存会被自动释放吗？ 函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例7-6是正确的。理由是p是局部的指

18、针变量，它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉！ voidFunc(void) char*p=(char*)malloc(100);/动态内存会自动释放吗？ 示例7-6试图让动态内存自动释放 我们发现指针有一些似是而非的特征： （1）指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。 （2）内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了NULL指针。 这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气，一定要找出可以草率行事的理由： 如果程序终止了运行，一切指针都会消亡，动态内存会被操作系统回收。既然如此，在程序临终前，就可以不必释放内存、不必将指针设置为NULL了。终于可以偷懒而不会

19、发生错误了吧？ 想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办？ 4 关于内存分配的问题,这是一篇我见过讲的很全面的文章. 7.7杜绝野指针 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： （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 char*p=NULL; char*str=(char*)malloc(1

20、00); （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。参见7.5节。 （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： classA public: voidFunc(void)coutFuncofclassAFunc();/p是野指针 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。是啊，奇观啊！ 8有了malloc/free为什么还要new/delete？ malloc与free是C+/C语言的标准库函数，new/d

21、elete是C+的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。 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。 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

22、7-8。 classObj public: Obj(void)coutInitializationendl; Obj(void)coutDestroyendl; voidInitialize(void)coutInitializationendl; voidDestroy(void)coutDestroyInitialize();/初始化 /. a-Destroy();/清除工作 free(a);/释放内存 voidUseNewDelete(void) Obj*a=newObj;/申请动态内存并且初始化 /. deletea;/清除并且释放内存 示例7-8用malloc/free和new/de

23、lete如何实现对象的动态内存管理 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。 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。 既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/fr

24、ee，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。 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。 7.9内存耗尽怎么办？ 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。 （1）判断指针是否为NULL，如果是则马上用re

25、turn语句终止本函数。例如： voidFunc(void) A*a=newA; if(a=NULL) return; . （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： voidFunc(void) A*a=newA; if(a=NULL) coutMemoryExhaustedendl; exit(1); . （3）为new和malloc设置异常处理函数。例如VisualC+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。 上述（1）（2）方

26、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。 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？ 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。 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Windows98下用VisualC+编写了测试程序，见示例7-9。这个程序会无休止地运

27、行下去，根本不会终止。因为32位操作系统支持虚存，内存用完了，自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响，Window98已经累得对键盘、鼠标毫无反应。 我可以得出这么一个结论：对于32位以上的应用程序，内存耗尽错误处理程序毫无用处。这下可把Unix和Windows程序员们乐坏了：反正错误处理程序不起作用，我就不写了，省了很多麻烦。 我不想误导读者，必须强调：不加错误处理将导致程序的质量很差，千万不可因小失大。 voidmain(void) float*p=NULL; while(TRUE) p=newfloat1000000; couteatmemoryendl; if(p=NULL) exit(1);