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天马行空官方博客:http:/t.qq.com/tmxk_docin ;QQ:1318241189;QQ 群:175569632C+C+内存管理详解内存管理详解程序员们经常编写内存管理程序,往往提心吊胆。如果不想触雷,唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们,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管理。 1、内存分配方式内存分配方式有三种:(1)从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static 变量。(2)在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。(3) 从堆上分配,亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc 或 new 申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用 free或 delete 释放内存。动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多。2、常见的内存错误及其对策发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来,程序却没有发生任何问题,你一走,错误又发作了。 常见的内存错误及其对策如下:* 内存分配未成功,却使用了它。编程新手常犯这种错误,因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是,在使用内存之前检查指针是否为 NULL。如果指针 p 是函数的参数,那么在函数的入口处用 assert(p!=NULL)进行检查。如果是用 malloc 或 new 来申请内存,应该用if(p=NULL) 或 if(p!=NULL)进行防错处理。* 内存分配虽然成功,但是尚未初始化就引用它。犯这种错误主要有两个起因:一是没有初始化的观念;二是误以为内存的缺省初值全为零,导致引用初值错误(例如数组)。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准,尽管有些时候为零值,我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是赋零值也不可省略,不要嫌麻烦。* 内存分配成功并且已经初始化,但操作越过了内存的边界。例如在使用数组时经常发生下标“多 1”或者“少 1”的操作。特别是在 for 循环语句中,循环次数很容易搞错,导致数组操作越界。* 忘记了释放内存,造成内存泄露。含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足,你看不到错误。终有一次程序突然死掉,系统出现提示:内存耗尽。动态内存的申请与释放必须配对,程序中 malloc 与 free 的使用次数一定要相同,否则肯定有错误(new/delete 同理)。* 释放了内存却继续使用它。有三种情况:(1)程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面。(2)函数的 return 语句写错了,注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时被自动销毁。(3)使用 free 或 delete 释放了内存后,没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。【规则 1】用 malloc 或 new 申请内存之后,应该立即检查指针值是否为 NULL。防止使用指针值为 NULL 的内存。【规则 2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。【规则 3】避免数组或指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少 1”操作。【规则 4】动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。【规则 5】用 free 或 delete 释放了内存之后,立即将指针设置为 NULL,防止产生“野指针”。3、指针与数组的对比C+/C 程序中,指针和数组在不少地方可以相互替换着用,让人产生一种错觉,以为两者是等价的。数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而不是指向)一块内存,其地址与容量在生命期内保持不变,只有数组的内容可以改变。指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”,所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。下面以字符串为例比较指针与数组的特性。3.1 修改内容示例 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 a0= 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可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句 p0= X有什么不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。char a = “hello”;a0 = X;cout Func(); / p 是“野指针”函数 Test 在执行语句 p-Func()时,对象 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程序时居然没有出错,这可能与编译器有关。6、有了 malloc/free 为什么还要 new/delete?malloc 与 free 是 C+/C 语言的标准库函数,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。对于非内部数据类型的对象而言,光用 maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数,对象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,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造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配和初始化工作的运算符 new,以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符 delete。注意 new/delete 不是库函数。我们先看一看 malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理,见示例 6。class Objpublic :Obj(void) cout Initialize(); / 初始化/a-Destroy(); / 清除工作free(a); / 释放内存void UseNewDelete(void)Obj *a = new Obj; / 申请动态内存并且初始化/delete a; / 清除并且释放内存示例 6 用 malloc/free 和 new/delete 如何实现对象的动态内存管理类 Obj 的函数 Initialize 模拟了构造函数的功能,函数Destroy 模拟了析构函数的功能。函数 UseMallocFree 中,由于 malloc/free 不能执行构造函数与析构函数,必须调用成员函数Initialize 和 Destroy 来完成初始化与清除工作。函数 UseNewDelete 则简单得多。所以我们不要企图用 malloc/free 来完成动态对象的内存管理,应该用 new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程,对它们而言 malloc/free 和 new/delete 是等价的。既然 new/delete 的功能完全覆盖了 malloc/free,为什么 C+不把 malloc/free 淘汰出局呢?这是因为 C+程序经常要调用 C 函数,而 C 程序只能用 malloc/free 管理动态内存。如果用 free 释放“new 创建的动态对象”,那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用 delete 释放“malloc 申请的动态内存”,理论上讲程序不会出错,但是该程序的可读性很差。所以 new/delete 必须配对使用,malloc/free 也一样。 7、内存耗尽怎么办?如果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。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。 (1)判断指针是否为 NULL,如果是则马上用 return 语句终止本函数。例如:void Func(void)A *a = new A;if(a = NULL)return;(2)判断指针是否为 NULL,如果是则马上用 exit(1)终止整个程序的运行。例如:void Func(void)A *a = new A;if(a = NULL)cout “Memory Exhausted” endl;exit(1); (3)为 new 和 malloc 设置异常处理函数。例如 Visual C+可以用_set_new_hander 函数为 new 设置用户自己定义的异常处理函数,也可以让 malloc 享用与 new 相同的异常处理函数。详细内容请参考C+使用手册。上述(1)(2)方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存,那么方式(1)就显得力不从心(释放内存很麻烦),应该用方式(2)来处理。很多人不忍心用 exit(1),问:“不编写出错处理程序,让操作系统自己解决行不行?”不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情,一般说来应用程序已经无药可救。如果不用 exit(1) 把坏程序杀死,它可能会害死操作系统。道理如同:如果不把歹徒击毙,歹徒在老死之前会犯下更多的罪。有一个很重要的现象要告诉大家。对于 32 位以上的应用程序而言,无论怎样使用 malloc 与 new,几乎不可能导致“内存耗尽”。我在 Windows 98 下用 Visual C+编写了测试程序,见示例 7。这个程序会无休止地运行下去,根本不会终止。因为 32 位操作系统支持“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、鼠标毫无反应。我可以得出这么一个结论:对于 32 位以上的应用程序,“内存耗尽”错误处理程序毫无用处。这下可把 Unix 和 Windows 程序员们乐坏了:反正错误处理程序不起作用,我就不写了,省了很多麻烦。我不想误导读者,必须强调:不加错误处理将导致程序的质量很差,千万不可因小失大。void main(void)float *p = NULL;while(TRUE)p = new float1000000;cout “eat memory” endl;if(p=NULL)exit(1);示例 7 试图耗尽操作系统的内存 8、malloc/free 的使用要点函数 malloc 的原型如下:void * malloc(size_t size); 用 malloc 申请一块长度为 length 的整数类型的内存,程序如下:int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length); 我们应当把注意力集中在两个要素上:“类型转换”和“sizeof”。* malloc 返回值的类型是 void *,所以在调用 malloc 时要显式地进行类型转换,将 void * 转换成所需要的指针类型。* malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型,它只关心内存的总字节数。我们通常记不住 int, float 等数据类型的变量的确切字节数。例如 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。最好用以下程序作一次测试:cout sizeof(char) endl;cout sizeof(int) endl;cout sizeof(unsigned int) endl;cout sizeof(long) endl;cout sizeof(unsigned long) endl;cout
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