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，因為該內存在函數結束時自動消亡，見示例4.4。

char *GetString(void)
{
　 char p[] = "hello world";
　 return p; // 編譯器將提出警告
}
void Test4(void)
{
　 char *str = NULL;
　 str = GetString(); // str 的內容是垃圾
　 cout<< str << endl;
}　　　　　　示例4.4 return語句返回指向“棧內存”的指針

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4.4改寫成示例4.5，會怎麼樣？

char *GetString2(void)
{
　 char *p = "hello world";
　 return p;
}
void Test5(void)
{
　 char *str = NULL;
　 str = GetString2();
　 cout<< str << endl;
}　　　　　示例4.5 return語句返回常量字符串

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的。因為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。

5、杜絕“野指針”

“野指針”不是NULL指針，是指向“垃圾”內存的指針。人們一般不會錯用NULL指針，因為用if語句很容易判斷。但是“野指針”是很危險的，if語句對它不起作用。 “野指針”的成因主要有兩種：

（1）指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成為NULL指針，它的缺省值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指針變量在創建的同時應當被初始化，要麼將指針設置為NULL，要麼讓它指向合法的內存。例如

char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);

（2）指針p被free或者delete之後，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個合法的指針。

（3）指針操作超越了變量的作用范圍。這種情況讓人防不勝防，示例程序如下：

class A
{
　 public:
　　 void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
};
void Test(void)
{
　 A *p;
　 {
　　 A a;
　　 p = &a; // 注意 a 的生命期
　 }
　 p->Func(); // p是“野指針”
}

函數Test在執行語句p->Func()時，對象a已經消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指針”。但奇怪的是我運行這個程序時居然沒有出錯，這可能與編譯器有關。

6、有了malloc/free為什麼還要new/delete？

malloc與free是C++/C語言的標准庫函數，new/delete是C++的運算符。它們都可用於申請動態內存和釋放內存。

對於非內部數據類型的對象而言，光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。對象在創建的同時要自動執行構造函數，對象在消亡之前要自動執行析構函數。由於malloc/free是庫函數而不是運算符，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加於malloc/free。

因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new，以及一個能完成清理與釋放內存工作的運算符delete。注意new/delete不是庫函數。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理，見示例6。

class Obj
{
　 public :
　　 Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
　　 ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
　　 void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
　　 void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void)
{
　 Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態內存
　 a->Initialize(); // 初始化
　 //…
　 a->Destroy(); // 清除工作
　 free(a); // 釋放內存
}
void UseNewDelete(void)
{
　 Obj *a = new Obj; // 申請動態內存並且初始化
　 //…
　 delete a; // 清除並且釋放內存
}　　　　　示例6 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理

類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能，函數Destroy模擬了析構函數的功能。函數UseMallocFree中，由於malloc/free不能執行構造函數與析構函數，必須調用成員函數Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函數UseNewDelete則簡單得多。

所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存管理，應該用new/delete。由於內部數據類型的“對象”沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。

既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什麼C++不把malloc/free淘汰出局呢？這是因為C++程序經常要調用C函數，而C程序只能用malloc/free管理動態內存。

如果用free釋放“new創建的動態對象”，那麼該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態內存”，理論上講程序不會出錯，但是該程序的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。

7、內存耗盡怎麼辦？

如果在申請動態內存時找不到足夠大的內存塊，malloc和new將返回NULL指針，宣告內存申請失敗。通常有三種方式處理“內存耗盡”問題。

（1）判斷指針是否為NULL，如果是則馬上用return語句終止本函數。例如：

void Func(void)
{
　 A *a = new A;
　 if(a == NULL)
　 {
　　 return;
　 }
　 …
}

（2）判斷指針是否為NULL，如果是則馬上用exit(1)終止整個程序的運行。例如：

void Func(void)
{
　 A *a = new A;
　 if(a == NULL)
　 {
　　 cout << “Memory Exhausted” << endl;
　　 exit(1);
　 }
　 …
}

（3）為new和malloc設置異常處理函數。例如Visual C++可以用_set_new_hander函數為new設置用戶自己定義的異常處理函數，也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函數。詳細內容請參考C++使用手冊。

上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函數內有多處需要申請動態內存，那麼方式（1）就顯得力不從心（釋放內存很麻煩），應該用方式（2）來處理。

很多人不忍心用exit(1)，問：“不編寫出錯處理程序，讓操作系統自己解決行不行？”

不行。如果發生“內存耗盡”這樣的事情，一般說來應用程序已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程序殺死，它可能會害死操作系統。道理如同：如果不把歹徒擊斃，歹徒在老死之前會犯下更多的罪。

有一個很重要的現象要告訴大家。對於32位以上的應用程序而言，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致“內存耗盡”。我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程序，見示例7。這個程序會無休止地運行下去，根本不會終止。因為32位操作系統支持“虛存”，內存用完了，自動用硬盤空間頂替。我只聽到硬盤嘎吱嘎吱地響，Window 98已經累得對鍵盤、鼠標毫無反應。

我可以得出這麼一個結論：對於32位以上的應用程序，“內存耗盡”錯誤處理程序毫無用處。這下可把Unix和Windows程序員們樂壞了：反正錯誤處理程序不起作用，我就不寫了，省了很多麻煩。

我不想誤導讀者，必須強調：不加錯誤處理將導致程序的質量很差，千萬不可因小失大。

void main(void)
{
　 float *p = NULL;
　 while(TRUE)
　 {
　　 p = new float[1000000];
　　 cout << “eat memory” << endl;
　　 if(p==NULL)
　　　 exit(1);
　 }
}

示例7試圖耗盡操作系統的內存

8、malloc/free 的使用要點

函數malloc的原型如下：

void * malloc(size_t size);

用malloc申請一塊長度為length的整數類型的內存，程序如下：

int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);

我們應當把注意力集中在兩個要素上：“類型轉換”和“sizeof”。

* malloc返回值的類型是void *，所以在調用malloc時要顯式地進行類型轉換，將void * 轉換成所需要的指針類型。

* malloc函數本身並不識別要申請的內存是什麼類型，它只關心內存的總字節數。我們通常記不住int, float等數據類型的變量的確切字節數。例如int變量在16位系統下是2個字節，在32位下是4個字節；而float變量在16位系統下是4個字節，在32位下也是4個字節。最好用以下程序作一次測試：

cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;

在malloc的“()”中使用sizeof運算符是良好的風格，但要當心有時我們會昏了頭，寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程序來。

* 函數free的原型如下：

void free( void * memblock );

為什麼free函數不象malloc函數那樣復雜呢？這是因為指針p的類型以及它所指的內存的容量事先都是知道的，語句free(p)能正確地釋放內存。如果p是NULL指針，那麼free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是NULL指針，那麼free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。

9、new/delete 的使用要點

運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多，例如：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];

這是因為new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對於非內部數據類型的對象而言，new在創建動態對象的同時完成了初始化工作。如果對象有多個構造函數，那麼new的語句也可以有多種形式。例如

class Obj
{
　 public :
　　 Obj(void); // 無參數的構造函數
　　 Obj(int x); // 帶一個參數的構造函數
　　 …
}
void Test(void)
{
　 Obj *a = new Obj;
　 Obj *b = new Obj(1); // 初值為1
　 …
　 delete a;
　 delete b;
}

如果用new創建對象數組，那麼只能使用對象的無參數構造函數。例如

Obj *objects = new Obj[100]; // 創建100個動態對象

不能寫成

Obj *objects = new Obj[100](1);// 創建100個動態對象的同時賦初值1

在用delete釋放對象數組時，留意不要丟了符號‘[]’。例如

delete []objects; // 正確的用法
delete objects; // 錯誤的用法

後者相當於delete objects[0]，漏掉了另外99個對象。

10、一些心得體會

我認識不少技術不錯的C++/C程序員，很少有人能拍拍胸脯說通曉指針與內存管理（包括我自己）。我最初學習C語言時特別怕指針，導致我開發第一個應用軟件（約1萬行C代碼）時沒有使用一個指針，全用數組來頂替指針，實在蠢笨得過分。躲避指針不是辦法，後來我改寫了這個軟件，代碼量縮小到原先的一半。

我的經驗教訓是：

（1）越是怕指針，就越要使用指針。不會正確使用指針，肯定算不上是合格的程序員。

（2）必須養成“使用調試器逐步跟蹤程序”的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。