踏入C++中的雷區——C++內存管理詳解

 偉大的Bill Gates 曾經失言：

　　640K ought to be enough for everybody— Bill Gates 1981

　　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。

　　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。

　　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。有時用戶怒氣沖沖地把你找來，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，因為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為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；二是誤以為內存的缺省初值全為零，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准，盡管有些時候為零值，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，造成內存洩露。

　　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系過於復雜，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”，因為該內存在函數體結束時被自動銷毀。

　　（3）使用free或delete釋放了內存後，沒有將指針設置為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為NULL。防止使用指針值為NULL的內存。

　　【規則2】不要忘記為數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作為右值使用。

　　【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，防止內存洩漏。

　　【規則5】用free或delete釋放了內存之後，立即將指針設置為NULL，防止產生“野指針”。

　　3、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著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。

　　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。數組名對應著（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，它的特征是“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。

　　下面以字符串為例比較指針與數組的特性。

　　3.1 修改內容

　　示例3-1中，字符數組a的容量是6個字符，其內容為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，內容為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。

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;　　　　　　示例3.1 修改數組和指針的內容

　　3.2 內容復制與比較

　　不能對數組名進行直接復制與比較。示例7-3-2中，若想把數組a的內容復制給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標准庫函數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，應該用標准庫函數strcmp進行比較。

　　語句p = a 並不能把a的內容復制指針p，而是把a的地址賦給了p。要想復制a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內存，再用strcpy進行字符串復制。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)
…　　　　　　　示例3.2 數組和指針的內容復制與比較

　　3.3 計算內存容量

　　用運算符sizeof可以計算出數組的容量（字節數）。示例7-3-3（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。這是因為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。

　　注意當數組作為函數的參數進行傳遞時，該數組自動退化為同類型的指針。示例7-3-3（b）中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節
cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節　　　　　示例3.3（a） 計算數組和指針的內存容量

void Func(char a[100])
{
　cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節
}　　　　　示例3.3（b） 數組退化為指針


4、指針參數是如何傳遞內存的？

　　如果函數的參數是一個指針，不要指望用該指針去申請動態內存。示例7-4-1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，為什麼？

void GetMemory(char *p, int num)
{
　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL
　strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤
}　　　　　　示例4.1 試圖用指針參數申請動態內存

　　毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本，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。這就是指針可以用作輸出參數的原因。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絲毫未變。所以函數GetMemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會洩露一塊內存，因為沒有用free釋放內存。

　　如果非得要用指針參數去申請內存，那麼應該改用“指向指針的指針”，見示例4.2。

void GetMemory2(char **p, int num)
{
　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory2(&str, 100); // 注意參數是 &str，而不是str
　strcpy(str, "hello");
　cout<< str << endl;
　free(str);
}　　　　　　示例4.2用指向指針的指針申請動態內存

　　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。這種方法更加簡單，見示例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4.3 用函數返回值來傳遞動態內存

　　用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裡強調不要用return語句返回指向“棧內存”的指針，因