内存管理
内存管理
题外话
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好，言归正传
本文是笔者学习《高质量C++C 编程指南》 (林锐) 的一些总结。
内存分配方式
内存分配方式有三种：
- 从静态存储区分配。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
- 从栈上创建。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被自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内容容量很有限。想起了 Stackoverflow 名字的由来。
- 从堆上分配，也称为动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或者new申请任意大小的内存，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，但容易出现内存泄漏等问题。
常见的内存错误及对策
发生内存错误很麻烦，编辑器不能自动发现这些错误，可能在程序运行的时候被调试人员发现。下面列举一些常见的内存错误以及对策：
- 内存分配未成功，却使用了它
在使用之前检验指针是否为NULL。如果使用malloc或new来申请内存。应该使用如下的方法进行防错检验
if(p==NULL)||if(p!=NULL)
- 内存分配成功，但没有初始化就引用了它
这种情况下就要加强初始化的观念，不要误认为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误。
- 内存分配成果并且已经初始化，但操作越过了内存的边界
通常会出现在for循环中，笔者曾经在用迭代器的时候因为操作不当而导致指针越界
- 忘记了释放内存却继续使用它
有三种情况：
- 杂乱的数据结构，致使不能从根本上解决对象管理的混乱局面。
- 函数的return语句写错了，不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”，因为该内存会在函数题结束时被自动销毁。下文也会有这种类型错误的很典型的函数，具体请见下文。
- 使用free或者delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生野指针
指针与数组的对比
在C++/C的程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生了一种错觉，以为两者是等价的。
首先，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(和不是指向)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，但也很危险，使用的时候要考虑上文中所提到的内容。
下面以字符串为例比较指针和数组的特性
修改内容
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'; //编译器并不能发现该错误
cout << p << endl;
上述代码中，字符数组a的容量是6个字符，分别为hello\0，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\0)，常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器不会发现语句p[0] = '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。
内容复制与比较
不能对数组名进行直接的复制与比较，例如下面的代码：
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b,a);
if(strcmp(b,a)==0){
//……指针操作
}
int len = strlen(a);
char *p = (char*)malloc(sizeof(char)*(len+1);
strcpy(p,a);
如果想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句b = a,否则会出现编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，语句if(p==a)比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较。
计算内存容量
用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。见下面的程序：
char a[] = "hello wolrd";
char *p = a;
cout << sizeof(a) << endl; //12字节
cout << sizeof(p) << endl; //4字节
void func(char a[100]){
cout << sizeof(a) << endl; //4字节 而不是100字节
}
可以看出来，sizeof(a)的值是12(包括'\0')。指针p指向a，但是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数，=>sizeof(char*)，而不是p所指的内存容量。
C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非特地在申请内存时去记住它。
还有一点值得注意的是，当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针，所以说无论在上面的func(char a[SIZE])中，SIZE值为多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char*)。这就是数组退化为指针的一种特例。
指针参数是如何传递内存的？
如果一个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。请看如下的这个函数：
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
}
上面想用getMemory(str,100）并没有使得str获得期望的内存，str依旧是NULL。
毛病出在getMemory中。编译器总是要为每个参数制作临时副本，指针p的副本是_p，编译器使_p=p。如果函数体内的程序修改了_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。在上例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫没变。所以函数getMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次getMemory就会泄漏一块内存，因为没有使用free释放内存。
函数改进
如果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”，见下述函数：
void getMemory2(chaar **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
char *str = NULL;
getMemory2(&str,100); //注意参数是&str,而不是str
strcpy(str,"hello");
cout << str << endl;
free(str);
}
如果不能很好的理解“指向指针的指针”，我们也可以用函数的返回值来传递动态参数。这个方法更加简单。
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);
}
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是有人会把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，因为该内存在函数结束时自动消亡。见下述代码：
char * getString(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; //编译器将提出警告
}
void Test4(void)
{
char *str = NULL;
str = getString(); //str的内容是垃圾
cout << str << endl;
}
用Debug逐步跟踪Test4，发现执行str = getString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是"hello world"而是垃圾。
杜绝“野指针”
在C++/C编程中，我们会发现有一些"似是而非"的特征：
- 指针消亡了，并不代表它所指的内存会被自动释放。
- 内存被释放了，并不代表着指针消亡或成了NULL指针。
如果程序终止了运行，一切指针都会消亡，动态内存会被操作系统回收。所以，如果想让程序长期地运作，我们就要及时手动释放内存，并且将指针设置为NULL。
下面我们来说一说“野指针”，它不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针，“野指针”很危险。if语句对它不起作用。
“野指针”的成因主要有两种：
- 指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一起。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。例如：
char *p = NULL;
or
char *str = (char *)malloc(100);
- 指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。
以上内容为笔者根据林锐博士的《高质量C++C 编程指南》的一些摘录以及一些自己的拓展。
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update by 2017/3/27 13:58
已完结
by一枝猪
