【linux編程】C++記憶體管理詳解（一）

偉大的Bill Gates 曾經失言：
　　640K ought to be enough for everybody — Bill Gates 1981
　　程式員們經常編寫記憶體管理程式，往往提心弔膽。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，做到真正地通曉記憶體管理。

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

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