c++記憶體管理（1）

1、記憶體配置方式

　　記憶體配置方式有三種：

　　（1）從靜態儲存地區分配。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個運行期間都存在。例如全域變數，static變數。

　　（2）在棧上建立。在執行函數時，函數內局部變數的儲存單元都可以在棧上建立，函數執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體配置運算內建於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。

　　（3） 從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在啟動並執行時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式員自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。

　　2、常見的記憶體錯誤及其對策

　　發生記憶體錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動探索這些錯誤，通常是在程式運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的癥狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時使用者怒氣沖沖地把你找來，程式卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。 常見的記憶體錯誤及其對策如下：

　　* 記憶體配置未成功，卻使用了它。

　　編程新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到記憶體配置會不成功。常用解決辦法是，在使用記憶體之前檢查指標是否為NULL。如果指標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來申請記憶體，應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。

　　* 記憶體配置雖然成功，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；二是誤以為記憶體的預設初值全為零，導致引用初值錯誤（例如數組）。 記憶體的預設初值究竟是什麼並沒有統一的標準，儘管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式建立數組，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。

　　* 記憶體配置成功並且已經初始化，但操作越過了記憶體的邊界。

　　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迴圈語句中，迴圈次數很容易搞錯，導致數組操作越界。

　　* 忘記了釋放記憶體，造成記憶體泄露。

　　含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊記憶體。剛開始時系統的記憶體充足，你看不到錯誤。終有一次程式突然死掉，系統出現提示：記憶體耗盡。

　　動態記憶體的申請與釋放必須配對，程式中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。

　　* 釋放了記憶體卻繼續使用它。
　
　　有三種情況：

　　（1）程式中的對象調用關係過於複雜，實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了記憶體，此時應該重新設計資料結構，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“棧記憶體”的“指標”或者“引用”，因為該記憶體在函數體結束時被自動銷毀。

　　（3）使用free或delete釋放了記憶體後，沒有將指標設定為NULL。導致產生“野指標”。

　　【規則1】用malloc或new申請記憶體之後，應該立即檢查指標值是否為NULL。防止使用指標值為NULL的記憶體。

　　【規則2】不要忘記為數組和動態記憶體賦初值。防止將未被初始化的記憶體作為右值使用。

　　【規則3】避免數組或指標的下標越界，特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。

　　【規則4】動態記憶體的申請與釋放必須配對，防止記憶體流失。

　　【規則5】用free或delete釋放了記憶體之後，立即將指標設定為NULL，防止產生“野指標”。

　　3、指標與數組的對比

　　C++/C程式中，指標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。

　　數組要麼在靜態儲存區被建立（如全域數組），要麼在棧上被建立。數組名對應著（而不是指向）一塊記憶體，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。

　　指標可以隨時指向任意類型的記憶體塊，它的特徵是“可變”，所以我們常用指標來操作動態記憶體。指標遠比數組靈活，但也更危險。

　　下面以字串為例比較指標與數組的特性。

　　3.1 修改內容

　　樣本3-1中，字元數組a的容量是6個字元，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指標p指向常量字串“world”（位於靜態儲存區，內容為world），常量字串的內容是不可以被修改的。從文法上看，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指向常量字串
p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發現該錯誤
cout << p << endl;　　　　　

　樣本3.1 修改數組和指標的內容

　　3.2 內容複寫與比較

　　不能對數組名進行直接複製與比較。樣本7-3-2中，若想把數組a的內容複寫給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函數strcpy進行複製。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函數strcmp進行比較。

　　語句p = a 並不能把a的內容複寫指標p，而是把a的地址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字元的記憶體，再用strcpy進行字串複製。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)
…
// 指標…
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)
…　　　　　　　

樣本3.2 數組和指標的內容複寫與比較

　　3.3 計算記憶體容量

　　用運算子sizeof可以計算出數組的容量（位元組數）。樣本7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指標p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指標變數的位元組數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的記憶體容量。C++/C語言沒有辦法知道指標所指的記憶體容量，除非在申請記憶體時記住它。

　　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標。樣本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位元組
cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組　　　　　

樣本3.3（a） 計算數組和指標的記憶體容量

void Func(char a[100])
{
　cout<< sizeof(a) << endl; // 4位元組而不是100位元組
}　　　　　

樣本3.3（b） 數組退化為指標

 

4、指標參數是如何傳遞記憶體的？

　　如果函數的參數是一個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。樣本7-4-1中，Test函數的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的記憶體，str依舊是NULL，為什嗎？

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
}　　　　　　

樣本4.1 試圖用指標參數申請動態記憶體

　　毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數製作臨時副本，指標參數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數體內的程式修改了_p的內容，就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指標可以用作輸出參數的原因。在本例中，_p申請了新的記憶體，只是把_p所指的記憶體位址改變了，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就會泄露一塊記憶體，因為沒有用free釋放記憶體。

　　如果非得要用指標參數去申請記憶體，那麼應該改用“指向指標的指標”，見樣本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);
}　　　　　　

樣本4.2用指向指標的指標申請動態記憶體

　　由於“指向指標的指標”這個概念不容易理解，我們可以用函數傳回值來傳遞動態記憶體。這種方法更加簡單，見樣本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);
}　　　　　　

　樣本4.3 用函數傳回值來傳遞動態記憶體

　　用函數傳回值來傳遞動態記憶體這種方法雖然好用，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“棧記憶體”的指標，因為該記憶體在函數結束時自動消亡，見樣本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;
}　　　　　

　樣本4.4 return語句返回指向“棧記憶體”的指標

　　用調試器逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指標，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。
如果把樣本4.4改寫成樣本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;
}　　　

　　樣本4.5 return語句返回常量字串

　　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”是常量字串，位於靜態儲存區，它在程式生命期內恒定不變。無論什麼時候調用GetString2，它返回的始終是同一個“唯讀”的記憶體塊。

　　5、杜絕“野指標”

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

　　（1）指標變數沒有被初始化。任何指標變數剛被建立時不會自動成為NULL指標，它的預設值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指標變數在建立的同時應當被初始化，要麼將指標設定為NULL，要麼讓它指向合法的記憶體。例如

char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);
　　（2）指標p被free或者delete之後，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個合法的指標。

　　（3）指標操作超越了變數的作用範圍。這種情況讓人防不勝防，樣本程式如下：

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“野指標”
}
　　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“野指標”。但奇怪的是我運行這個程式時居然沒有出錯，這可能與編譯器有關。