C++内存打点详解

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伟大的Bill Gates 曾经讲错：

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

措施员们常常编写内存打点措施，往往惶惶不安。假如不想触雷，独一的办理步伐就是发明所有暗藏的地雷而且解除它们，躲是躲不了的。本文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打点。

1、内存分派方法

内存分派方法有三种：

（1）从静态存储区域分派。内存在措施编译的时候就已经分派好，这块内存在措施的整个运行期间都存在。譬喻全局变量，static变量。

（2）在栈上建设。在执行函数时，函数内局部变量的存储单位都可以在栈上建设，函数执行竣事时这些存储单位自动被释放。栈内存分派运算内置于处理惩罚器的指令会合，效率很高，可是分派的内存容量有限。

（3） 从堆上分派，亦称动态内存分派。措施在运行的时候用malloc或new申请任意几多的内存，措施员本身认真在何时用free或delete释放内存。动态内存的保留期由我们抉择，利用很是机动，但问题也最多。

2、常见的内存错误及其对策

产生内存错误是件很是贫苦的工作。编译器不能自动发明这些错误，凡是是在措施运行时才气捕获到。而这些错误大多没有明明的症状，时隐时现，增加了改错的难度。有时用户怒火冲冲地把你找来，措施却没有产生任何问题，你一走，错误又爆发了。 常见的内存错误及其对策如下：

* 内存分派未乐成，却利用了它。

编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分派会不乐成。常用办理步伐是，在利用内存之前查抄指针是否为NULL。假如指针p是函数的参数，那么在函数的进口处用assert(p!=NULL)举办

查抄。假如是用malloc或new来申请内存，应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)举办防错处理惩罚。

* 内存分派固然乐成，可是尚未初始化就引用它。

犯这种错误主要有两个起因：一是没有初始化的见识；二是误觉得内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误（譬喻数组）。 内存的缺省初值毕竟是什么并没有统一的尺度，尽量有些时候为零值，我们甘心信其无不行信其有。所以无论用何种方法建设数组，都别忘了赋初值，即即是赋零值也不行省略，不要嫌贫苦。

* 内存分派乐成而且已经初始化，但操纵越过了内存的界线。

譬喻在利用数组时常常产生下标“多1”可能“少1”的操纵。出格是在for轮回语句中，轮回次数很容易搞错，导致数组操纵越界。

* 健忘了释放内存，造成内存泄露。

含有这种错误的函数每被挪用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存富裕，你看不到错误。终有一次措施溘然死掉，系统呈现提示：内存耗尽。

动态内存的申请与释放必需配对，措施中malloc与free的利用次数必然要沟通，不然必定有错误（new/delete同理）。

* 释放了内存却继承利用它。

有三种环境：

（1）措施中的工具挪用干系过于巨大，实在难以搞清楚某个工具毕竟是否已经释放了内存，此时应该从头设计数据布局，从基础上办理工具打点的杂乱排场。

（2）函数的return语句写错了，留意不要返回指向“栈内存”的“指针”可能“引用”，因为该内存在函数体竣事时被自动销毁。

（3）利用free或delete释放了内存后，没有将指针配置为NULL。导致发生“野指针”。

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【法则1】用malloc或new申请内存之后，应应当即查抄指针值是否为NULL。防备利用指针值为NULL的内存。

【法则2】不要健忘为数组和动态内存赋初值。防备将未被初始化的内存作为右值利用。

【法则3】制止数组或指针的下标越界，出格要当心产生“多1”可能“少1”操纵。

【法则4】动态内存的申请与释放必需配对，防备内存泄漏。

【法则5】用free或delete释放了内存之后，当即将指针配置为NULL，防备发生“野指针”。

3、指针与数组的比拟

C++/C措施中，指针和数组在不少处所可以彼此替换着用，让人发生一种错觉，觉得两者是等价的。

数组要么在静态存储区被建设（如全局数组），要么在栈上被建设。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地点与容量在生命期内保持稳定，只有数组的内容可以改变。

指针可以随时指向任意范例的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操纵动态内存。指针远比数组机动，但也更危险。

下面以字符串为例较量指针与数组的特性。

3.1 修改内容

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示例3-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。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），常量字符串的内容是不行以被修改的。从语法上看，编译器并不以为语句p[0]= ‘X’有什么不当，可是该语句诡计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”; // 留意p指向常量字符串
p[0] = ‘X’; // 编译器不能发明该错误
cout << p << endl;　　　　　　示例3.1 修改数组和指针的内容

3.2 内容复制与较量

不能对数组名举办直接复制与较量。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 ，不然将发生编译错误。应该用尺度库函数strcpy举办复制。同理，较量b和a的内容是否沟通，不能用if(b==a) 来判定，应该用尺度库函数strcmp举办较量。

语句p = a 并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地点赋给了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举办字符串复制。同理，语句if(p==a) 较量的不是内容而是地点，应该用库函数strcmp来较量。

// 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3.2 数组和指针的内容复制与较量

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3.3 计较内存容量

用运算符sizeof可以计较出数组的容量（字节数）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（留意别忘了’’）。指针p指向a，可是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)获得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语言没有步伐知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记着它。

留意当数组作为函数的参数举办通报时，该数组自动退化为同范例的指针。示例7-3-3（b）中，岂论数组a的容量是几多，sizeof(a)始终便是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3.3（a） 计较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3.3（b） 数组退化为指针

4、指针参数是如何通报内存的？

假如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得到期望的内存，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4.1 试图用指针参数申请动态内存

短处出在函数GetMemory中。编译器老是要为函数的每个参数建造姑且副本，指针参数p的副本是 _p，编译器使 _p = p。假如函数体内的措施修改了_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所指的内存地点改变了，可是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何对象。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。

假如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4.2。

void GetMemory2(char **p, int num)
{
　 *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
　 char *str = NULL;
　 GetMemory2(&str, 100); // 留意参数是 &str，而不是str
　 strcpy(str, "hello");
　 cout<< str << endl;
　 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”这个观念不容易领略，我们可以用函数返回值来通报动态内存。这种要领越发简朴，见示例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 用函数返回值来通报动态内存

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用函数返回值来通报动态内存这种要领固然好用，可是经常有人把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，因为该内存在函数竣事时自动消亡，见示例4.4。

char *GetString(void)
{
　 char p[] = "hello world";
　 return p; // 编译器将提出告诫
}
void Test4(void)
{
　 char *str = NULL;
　 str = GetString(); // str 的内容是垃圾
　 cout<< str << endl;
}　　　　　　示例4.4 return语句返回指向“栈内存”的指针

用调试器慢慢跟踪Test4，发明执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，可是str的内容不是“hello world”而是垃圾。

假如把示例4.4改写成示例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4.5 return语句返回常量字符串

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函数Test5运行固然不会堕落，可是函数GetString2的设计观念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串，位于静态存储区，它在措施生命期内恒定稳定。无论什么时候挪用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。

5、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语句很容易判定。可是“野指针”是很危险的，if语句对它不起浸染。 “野指针”的成因主要有两种：

（1）指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被建设时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在建设的同时该当被初始化，要么将指针配置为NULL，要么让它指向正当的内存。譬喻

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

（2）指针p被free可能delete之后，没有置为NULL，让人误觉得p是个正当的指针。

（3）指针操纵逾越了变量的浸染范畴。这种环境让人防不胜防，示例措施如下：

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

函数Test在执行语句p->Func()时，工具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措施时居然没有堕落，这大概与编译器有关。

6、有了malloc/free为什么还要new/delete？

malloc与free是C++/C语言的尺度库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。

对付非内部数据范例的工具而言，光用maloc/free无法满意动态工具的要求。工具在建设的同时要自动执行结构函数，工具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，不在编译器节制权限之内，不可以或许把执行结构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派和初始化事情的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存事情的运算符delete。留意new/delete不是库函数。我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现工具的动态内存打点，见示例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)); // 申请动态内存
　 a->Initialize(); // 初始化
　 //…
　 a->Destroy(); // 排除事情
　 free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
　 Obj *a = new Obj; // 申请动态内存而且初始化
　 //…
　 delete a; // 排除而且释放内存
}　　　　　示例6 用malloc/free和new/delete如何实现工具的动态内存打点

类Obj的函数Initialize模仿告终构函数的成果，函数Destroy模仿了析构函数的成果。函数UseMallocFree中，由于malloc/free不能执行结构函数与析构函数，必需挪用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与排除事情。函数UseNewDelete则简朴得多。

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所以我们不要诡计用malloc/free来完成动态工具的内存打点，应该用new/delete。由于内部数据范例的“工具”没有结构与析构的进程，对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。

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既然new/delete的成果完全包围了malloc/free，为什么C++不把malloc/free裁减出局呢？这是因为C++措施常常要挪用C函数，而C措施只能用malloc/free打点动态内存。

假如用free释放“new建设的动态工具”，那么该工具因无法执行析构函数而大概导致措施堕落。假如用delete释放“malloc申请的动态内存”，理论上讲措施不会堕落，可是该措施的可读性很差。所以new/delete必需配对利用，malloc/free也一样。

7、内存耗尽怎么办？

假如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。凡是有三种方法处理惩罚“内存耗尽”问题。

（1）判定指针是否为NULL，假如是则顿时用return语句终止本函数。譬喻：

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

（2）判定指针是否为NULL，假如是则顿时用exit(1)终止整个措施的运行。譬喻：

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

（3）为new和malloc配置异常处理惩罚函数。譬喻Visual C++可以用_set_new_hander函数为new配置用户本身界说的异常处理惩罚函数，也可以让malloc享用与new沟通的异常处理惩罚函数。具体内容请参考C++利用手册。

上述（1）（2）方法利用最普遍。假如一个函数内有多处需要申请动态内存，那么方法（1）就显得力有未逮（释放内存很贫苦），应该用方法（2）来处理惩罚。

许多人不忍心用exit(1)，问：“不编写堕落处理惩罚措施，让操纵系统本身办理行不可？”

不可。假如产生“内存耗尽”这样的工作，一般说来应用措施已经无药可救。假如不消exit(1) 把坏措施杀死，它大概会害死操纵系统。原理如同：假如不把歹徒击毙，歹徒在老死之前会犯下更多的罪。

有一个很重要的现象要汇报各人。对付32位以上的应用措施而言，无论奈何利用malloc与new，险些不行能导致“内存耗尽”。我在Windows 98下用Visual C++编写了测试措施，见示例7。这个措施会无休止地运行下去，基础不会终止。因为32位操纵系统支持“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，Window 98已经累得对键盘、鼠标毫无回响。

我可以得出这么一个结论：对付32位以上的应用措施，“内存耗尽”错误处理惩罚措施毫无用处。这下可把Unix和Windows措施员们乐坏了：横竖错误处理惩罚措施不起浸染，我就不写了，省了许多贫苦。

我不想误导读者，必需强调：不加错误处理惩罚将导致措施的质量很差，千万不行因小失大。

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

示例7试图耗尽操纵系统的内存

8、malloc/free 的利用要点

函数malloc的原型如下：

void * malloc(size_t size);

用malloc申请一块长度为length的整数范例的内存，措施如下：

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

我们该当把留意力会合在两个要素上：“范例转换”和“sizeof”。

* malloc返回值的范例是void *，所以在挪用malloc时要显式地举办范例转换，将void * 转换成所需要的指针范例。

* malloc函数自己并不识别要申请的内存是什么范例，它只体贴内存的总字节数。我们凡是记不住int, float等数据范例的变量简直切字节数。譬喻int变量在16位系统下是2个字节，在32位下是4个字节；而float变量在16位系统下是4个字节，在32位下也是4个字节。最好用以下措施作一次测试：

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“()”中利用sizeof运算符是精采的气势气魄，但要当心有时我们会昏了头，写出 p = malloc(sizeof(p))这样的措施来。

* 函数free的原型如下：

void free( void * memblock );
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为什么free函数不象malloc函数那样巨大呢？这是因为指针p的范例以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句free(p)能正确地释放内存。假如p是NULL指针，那么free对p无论操纵几多次都不会出问题。假如p不是NULL指针，那么free对p持续操纵两次就会导致措施运行错误。

9、new/delete 的利用要点

运算符new利用起来要比函数malloc简朴得多，譬喻：

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

这是因为new内置了sizeof、范例转换和范例安详查抄成果。对付非内部数据范例的工具而言，new在建设动态工具的同时完成了初始化事情。假如工具有多个结构函数，那么new的语句也可以有多种形式。譬喻

class Obj
{
　 public :
　　 Obj(void); // 无参数的结构函数
　　 Obj(int x); // 带一个参数的结构函数
　　 …
}
void Test(void)
{
　 Obj *a = new Obj;
　 Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
　 …
　 delete a;
　 delete b;
}

假如用new建设工具数组，那么只能利用工具的无参数结构函数。譬喻

Obj *objects = new Obj[100]; // 建设100个动态工具

不能写成

Obj *objects = new Obj[100](1);// 建设100个动态工具的同时赋初值1

在用delete释放工具数组时，寄望不要丢了标记‘[]’。譬喻

delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法

后者相当于delete objects[0]，遗漏了别的99个工具。

10、一些心得体会

我认识不少技能不错的C++/C措施员，很少有人能拍拍胸脯说通晓指针与内存打点（包罗我本身）。我最初进修C语言时出格怕指针，导致我开拓第一个应用软件（约1万行C代码）时没有利用一个指针，全用数组来顶替指针，实在蠢笨得过度。躲避指针不是步伐，厥后我改写了这个软件，代码量缩小到原先的一半。

我的履历教导是：

（1）越是怕指针，就越要利用指针。不会正确利用指针，必定算不上是及格的措施员。

（2）必需养成“利用调试器慢慢跟踪措施”的习惯，只有这样才气发明问题的本质。