C++編程指南學(xué)習(xí)(七)

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第7章 內(nèi)存管理
    歡迎進(jìn)入內(nèi)存這片雷區(qū)。偉大的Bill Gates 曾經(jīng)失言:
    640K ought to be enough for everybody
    — Bill Gates 1981
    程序員們經(jīng)常編寫內(nèi)存管理程序,往往提心吊膽。如果不想觸雷,的解決辦法就是發(fā)現(xiàn)所有潛伏的地雷并且排除它們,躲是躲不了的。本章的內(nèi)容比一般教科書的要深入得多,讀者需細(xì)心閱讀,做到真正地通曉內(nèi)存管理。
    7.1內(nèi)存分配方式
    內(nèi)存分配方式有三種:
    (1) 從靜態(tài)存儲區(qū)域分配。內(nèi)存在程序編譯的時候就已經(jīng)分配好,這塊內(nèi)存在程序的整個運(yùn)行期間都存在。例如全局變量,static變量。
    (2) 在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時,函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建,函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內(nèi)存容量有限。
    (3) 從堆上分配,亦稱動態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行的時候用malloc或new申請任意多少的內(nèi)存,程序員自己負(fù)責(zé)在何時用free或delete釋放內(nèi)存。動態(tài)內(nèi)存的生存期由我們決定,使用非常靈活,但問題也最多。
    7.2常見的內(nèi)存錯誤及其對策
    發(fā)生內(nèi)存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發(fā)現(xiàn)這些錯誤,通常是在程序運(yùn)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(xiàn),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(fā)生任何問題,你一走,錯誤又發(fā)作了。
    常見的內(nèi)存錯誤及其對策如下:
    u 內(nèi)存分配未成功,卻使用了它。
    編程新手常犯這種錯誤,因?yàn)樗麄儧]有意識到內(nèi)存分配會不成功。常用解決辦法是,在使用內(nèi)存之前檢查指針是否為NULL。如果指針p是函數(shù)的參數(shù),那么在函數(shù)的入口處用assert(p!=NULL)進(jìn)行檢查。如果是用malloc或new來申請內(nèi)存,應(yīng)該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進(jìn)行防錯處理。
    u 內(nèi)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(nèi)存的缺省初值全為零,導(dǎo)致引用初值錯誤(例如數(shù)組)。
    內(nèi)存的缺省初值究竟是什么并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),盡管有些時候?yàn)榱阒?,我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創(chuàng)建數(shù)組,都別忘了賦初值,即便是賦零值也不可省略,不要嫌麻煩。
    u 內(nèi)存分配成功并且已經(jīng)初始化,但操作越過了內(nèi)存的邊界。
    例如在使用數(shù)組時經(jīng)常發(fā)生下標(biāo)“多1”或者“少1”的操作。特別是在for循環(huán)語句中,循環(huán)次數(shù)很容易搞錯,導(dǎo)致數(shù)組操作越界。
    u 忘記了釋放內(nèi)存,造成內(nèi)存泄露。
    含有這種錯誤的函數(shù)每被調(diào)用一次就丟失一塊內(nèi)存。剛開始時系統(tǒng)的內(nèi)存充足,你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉,系統(tǒng)出現(xiàn)提示:內(nèi)存耗盡。
    動態(tài)內(nèi)存的申請與釋放必須配對,程序中malloc與free的使用次數(shù)一定要相同,否則肯定有錯誤(new/delete同理)。
    u 釋放了內(nèi)存卻繼續(xù)使用它。
    有三種情況:
    (1)程序中的對象調(diào)用關(guān)系過于復(fù)雜,實(shí)在難以搞清楚某個對象究竟是否已經(jīng)釋放了內(nèi)存,此時應(yīng)該重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),從根本上解決對象管理的混亂局面。
    (2)函數(shù)的return語句寫錯了,注意不要返回指向“棧內(nèi)存”的“指針”或者“引用”,因?yàn)樵搩?nèi)存在函數(shù)體結(jié)束時被自動銷毀。
    (3)使用free或delete釋放了內(nèi)存后,沒有將指針設(shè)置為NULL。導(dǎo)致產(chǎn)生“野指針”。
    l 【規(guī)則7-2-1】用malloc或new申請內(nèi)存之后,應(yīng)該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內(nèi)存。
    l 【規(guī)則7-2-2】不要忘記為數(shù)組和動態(tài)內(nèi)存賦初值。防止將未被初始化的內(nèi)存作為右值使用。
    l 【規(guī)則7-2-3】避免數(shù)組或指針的下標(biāo)越界,特別要當(dāng)心發(fā)生“多1”或者“少1”操作。
    l 【規(guī)則7-2-4】動態(tài)內(nèi)存的申請與釋放必須配對,防止內(nèi)存泄漏。
    l 【規(guī)則7-2-5】用free或delete釋放了內(nèi)存之后,立即將指針設(shè)置為NULL,防止產(chǎn)生“野指針”。
    7.3指針與數(shù)組的對比
    C++/C程序中,指針和數(shù)組在不少地方可以相互替換著用,讓人產(chǎn)生一種錯覺,以為兩者是等價(jià)的。
    數(shù)組要么在靜態(tài)存儲區(qū)被創(chuàng)建(如全局?jǐn)?shù)組),要么在棧上被創(chuàng)建。數(shù)組名對應(yīng)著(而不是指向)一塊內(nèi)存,其地址與容量在生命期內(nèi)保持不變,只有數(shù)組的內(nèi)容可以改變。
    指針可以隨時指向任意類型的內(nèi)存塊,它的特征是“可變”,所以我們常用指針來操作動態(tài)內(nèi)存。指針遠(yuǎn)比數(shù)組靈活,但也更危險(xiǎn)。
    下面以字符串為例比較指針與數(shù)組的特性。
    7.3.1 修改內(nèi)容
    示例7-3-1中,字符數(shù)組a的容量是6個字符,其內(nèi)容為hello\0。a的內(nèi)容可以改變,如a[0]= ‘X’。指針p指向常量字符串“world”(位于靜態(tài)存儲區(qū),內(nèi)容為world\0),常量字符串的內(nèi)容是不可以被修改的。從語法上看,編譯器并不覺得語句p[0]= ‘X’有什么不妥,但是該語句企圖修改常量字符串的內(nèi)容而導(dǎo)致運(yùn)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(fā)現(xiàn)該錯誤
    cout 〈〈 p 〈〈 endl;
    示例7-3-1 修改數(shù)組和指針的內(nèi)容
    7.3.2 內(nèi)容復(fù)制與比較
    不能對數(shù)組名進(jìn)行直接復(fù)制與比較。示例7-3-2中,若想把數(shù)組a的內(nèi)容復(fù)制給數(shù)組b,不能用語句 b = a ,否則將產(chǎn)生編譯錯誤。應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)strcpy進(jìn)行復(fù)制。同理,比較b和a的內(nèi)容是否相同,不能用if(b==a) 來判斷,應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)strcmp進(jìn)行比較。
    語句p = a 并不能把a(bǔ)的內(nèi)容復(fù)制指針p,而是把a(bǔ)的地址賦給了p。要想復(fù)制a的內(nèi)容,可以先用庫函數(shù)malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內(nèi)存,再用strcpy進(jìn)行字符串復(fù)制。同理,語句if(p==a) 比較的不是內(nèi)容而是地址,應(yīng)該用庫函數(shù)strcmp來比較。
    // 數(shù)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7-3-2 數(shù)組和指針的內(nèi)容復(fù)制與比較
    7.3.3 計(jì)算內(nèi)存容量
    用運(yùn)算符sizeof可以計(jì)算出數(shù)組的容量(字節(jié)數(shù))。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)的值是12(注意別忘了’\0’)。指針p指向a,但是sizeof(p)的值卻是4。這是因?yàn)閟izeof(p)得到的是一個指針變量的字節(jié)數(shù),相當(dāng)于sizeof(char*),而不是p所指的內(nèi)存容量。C++/C語言沒有辦法知道指針?biāo)傅膬?nèi)存容量,除非在申請內(nèi)存時記住它。
    注意當(dāng)數(shù)組作為函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行傳遞時,該數(shù)組自動退化為同類型的指針。示例7-3-3(b)中,不論數(shù)組a的容量是多少,sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。
    char a[] = "hello world";
    char *p = a;
    cout〈〈 sizeof(a) 〈〈 endl; // 12字節(jié)
    cout〈〈 sizeof(p) 〈〈 endl; // 4字節(jié)
    示例7-3-3(a) 計(jì)算數(shù)組和指針的內(nèi)存容量
    void Func(char a[100])
    {
    cout〈〈 sizeof(a) 〈〈 endl; // 4字節(jié)而不是100字節(jié)
    }
    示例7-3-3(b) 數(shù)組退化為指針
    7.4指針參數(shù)是如何傳遞內(nèi)存的?
    如果函數(shù)的參數(shù)是一個指針,不要指望用該指針去申請動態(tài)內(nèi)存。示例7-4-1中,Test函數(shù)的語句GetMemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內(nèi)存,str依舊是NULL,為什么?
    void GetMemory(char *p, int num)
    {
    p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    }
    void Test(void)
    {
    char *str = NULL;
    GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL
    strcpy(str, "hello"); // 運(yùn)行錯誤
    }
    示例7-4-1 試圖用指針參數(shù)申請動態(tài)內(nèi)存
    毛病出在函數(shù)GetMemory中。編譯器總是要為函數(shù)的每個參數(shù)制作臨時副本,指針參數(shù)p的副本是 _p,編譯器使 _p = p。如果函數(shù)體內(nèi)的程序修改了_p的內(nèi)容,就導(dǎo)致參數(shù)p的內(nèi)容作相應(yīng)的修改。這就是指針可以用作輸出參數(shù)的原因。在本例中,_p申請了新的內(nèi)存,只是把_p所指的內(nèi)存地址改變了,但是p絲毫未變。所以函數(shù)GetMemory并不能輸出任何東西。事實(shí)上,每執(zhí)行一次GetMemory就會泄露一塊內(nèi)存,因?yàn)闆]有用free釋放內(nèi)存。
    如果非得要用指針參數(shù)去申請內(nèi)存,那么應(yīng)該改用“指向指針的指針”,見示例7-4-2。
    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(shù)是 &str,而不是str
    strcpy(str, "hello");
    cout〈〈 str 〈〈 endl;
    free(str);
    }
    示例7-4-2用指向指針的指針申請動態(tài)內(nèi)存
    由于“指向指針的指針”這個概念不容易理解,我們可以用函數(shù)返回值來傳遞動態(tài)內(nèi)存。這種方法更加簡單,見示例7-4-3。
    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7-4-3 用函數(shù)返回值來傳遞動態(tài)內(nèi)存
    用函數(shù)返回值來傳遞動態(tài)內(nèi)存這種方法雖然好用,但是常常有人把return語句用錯了。這里強(qiáng)調(diào)不要用return語句返回指向“棧內(nèi)存”的指針,因?yàn)樵搩?nèi)存在函數(shù)結(jié)束時自動消亡,見示例7-4-4。char *GetString(void)
    {
    char p[] = "hello world";
    return p; // 編譯器將提出警告
    }
    void Test4(void)
    {
    char *str = NULL;