歡迎來到Linux教程網
Linux教程網
Linux教程網
Linux教程網
您现在的位置: Linux教程網 >> UnixLinux >  >> Linux綜合 >> Linux資訊 >> 更多Linux

linux編程之——C++內存管理詳解

  偉大的Bill Gates 曾經失言:  640K ought to be enough for everybody — Bill Gates 1981  程序員們經常編寫內存管理程序,往往提心吊膽。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,做到真正地通曉內存管理。  1、內存分配方式  內存分配方式有三種:  (1)從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好,這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量,static變量。  (2)在棧上創建。在執行函數時,函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建,函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內存容量有限。  (3) 從堆上分配,亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存,程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由我們決定,使用非常靈活,但問題也最多。  2、常見的內存錯誤及其對策  發生內存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤,通常是在程序運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的症狀,時隱時現,增加了改錯的難度。有時用戶怒氣沖沖地把你找來,程序卻沒有發生任何問題,你一走,錯誤又發作了。 常見的內存錯誤及其對策如下:  * 內存分配未成功,卻使用了它。  編程新手常犯這種錯誤,因為他們沒有意識到內存分配會不成功。常用解決辦法是,在使用內存之前檢查指針是否為NULL。如果指針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來申請內存,應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。  * 內存分配雖然成功,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;二是誤以為內存的缺省初值全為零,導致引用初值錯誤(例如數組)。內存的缺省初值究竟是什麼並沒有統一的標准,盡管有些時候為零值,我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創建數組,都別忘了賦初值,即便是賦零值也不可省略,不要嫌麻煩。  * 內存分配成功並且已經初始化,但操作越過了內存的邊界。  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循環語句中,循環次數很容易搞錯,導致數組操作越界。  * 忘記了釋放內存,造成內存洩露。  含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊內存。剛開始時系統的內存充足,你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉,系統出現提示:內存耗盡。  動態內存的申請與釋放必須配對,程序中malloc與free的使用次數一定要相同,否則肯定有錯誤(new/delete同理)。  * 釋放了內存卻繼續使用它。   有三種情況:  (1)程序中的對象調用關系過於復雜,實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了內存,此時應該重新設計數據結構,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“棧內存”的“指針”或者“引用”,因為該內存在函數體結束時被自動銷毀。  (3)使用free或delete釋放了內存後,沒有將指針設置為NULL。導致產生“野指針”。  【規則1】用malloc或new申請內存之後,應該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內存。  【規則2】不要忘記為數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作為右值使用。  【規則3】避免數組或指針的下標越界,特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。  【規則4】動態內存的申請與釋放必須配對,防止內存洩漏。  【規則5】用free或delete釋放了內存之後,立即將指針設置為NULL,防止產生“野指針”。  3、指針與數組的對比  C++/C程序中,指針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。  數組要麼在靜態存儲區被創建(如全局數組),要麼在棧上被創建。數組名對應著(而不是指向)一塊內存,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。  指針可以隨時指向任意類型的內存塊,它的特征是“可變”,所以我們常用指針來操作動態內存。指針遠比數組靈活,但也更危險。  下面以字符串為例比較指針與數組的特性。  3.1 修改內容  示例3-1中,字符數組a的容量是6個字符,其內容為hello。a的內容可以改變,如a[0]= ‘X’。指針p指向常量字符串“world”(位於靜態存儲區,內容為world),常量字符串的內容是不可以被修改的。從語法上看,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符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指向常量字符串p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發現該錯誤cout << p << endl;      示例3.1 修改數組和指針的內容  3.2 內容復制與比較  不能對數組名進行直接復制與比較。示例7-3-2中,若想把數組a的內容復制給數組b,不能用語句 b = a ,否則將產生編譯錯誤。應該用標准庫函數strcpy進行復制。同理,比較b和a的內容是否相同,不能用if(b==a) 來判斷,應該用標准庫函數strcmp進行比較。  語句p = a 並不能把a的內容復制指針p,而是把a的地址賦給了p。要想復制a的內容,可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內存,再用strcpy進行字符串復制。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3.2 數組和指針的內容復制與比較  3.3 計算內存容量  用運算符sizeof可以計算出數組的容量(字節數)。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)的值是12(注意別忘了’’)。指針p指向a,但是 sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節數,相當於sizeof(char*),而不是p所指的內存容量。 C++/C語言沒有辦法知道指針所指的內存容量,除非在申請內存時記住它。




  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針。示例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字節cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節     示例3.3(a) 計算數組和指針的內存容量void Func(char a[100]){ cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節}     示例3.3(b) 數組退化為指針  4、指針參數是如何傳遞內存的?  如果函數的參數是一個指針,不要指望用該指針去申請動態內存。示例7-4-1中,Test函數的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的內存,str依舊是NULL,為什麼?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}      示例4.1 試圖用指針參數申請動態內存  毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本,指針參數p的副本是 _p,編譯器使 _p = p。如果函數體內的程序修改了_p的內容,就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針可以用作輸出參數的原因。在本例中,_p申請了新的內存,只是把 _p所指的內存地址改變了,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就會洩露一塊內存,因為沒有用free釋放內存。  如果非得要用指針參數去申請內存,那麼應該改用“指向指針的指針”,見示例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);}      示例4.2用指向指針的指針申請動態內存  由於“指向指針的指針”這個概念不容易理解,我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。這種方法更加簡單,見示例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4.3 用函數返回值來傳遞動態內存  用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用,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“棧內存”的指針,因為該內存在函數結束時自動消亡,見示例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;}      示例4.4 return語句返回指向“棧內存”的指針  用調試器逐步跟蹤Test4,發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指針,但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。如果把示例4.4改寫成示例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;}     示例4.5 return語句返回常量字符串  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”是常量字符串,位於靜態存儲區,它在程序生命期內恆定不變。無論什麼時候調用GetString2,它返回的始終是同一個“只讀”的內存塊。  5、杜絕“野指針”  “野指針”不是NULL指針,是指向“垃圾”內存的指針。人們一般不會錯用NULL指針,因為用if語句很容易判斷。但是“野指針”是很危險的,if語句對它不起作用。 “野指針”的成因主要有兩種:  (1)指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成為NULL指針,它的缺省值是隨機的,它會亂指一氣。所以,指針變量在創建的同時應當被初始化,要麼將指針設置為NULL,要麼讓它指向合法的內存。例如char *p = NULL;char *str = (char *) malloc(100);  (2)指針p被free或者delete之後,沒有置為NULL,讓人誤以為p是個合法的指針。  (3)指針操作超越了變量的作用范圍。這種情況讓人防不勝防,示例程序如下: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“野指針”}  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“野指針”。但奇怪的是我運行這個程序時居然沒有出錯,這可能與編譯器有關。  6、有了malloc/free為什麼還要new/delete?  malloc與free是C++/C語言的標准庫函數,new/delete是C++的運算符。它們都可用於申請動態內存和釋放內存。  對於非內部數據類型的對象而言,光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。對象在創建的同時要自動執行構造函數,對象在消亡之前要自動執行析構函數。由於malloc/free是庫函數而不是運算符,不在編譯器控制權限之內,不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加於malloc/free。  因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new,以及一個能完成清理與釋放內存工作的運算符delete。注意 new/delete不是庫函數。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理,見示例6。class Obj{ public :  Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }  ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }  void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }  void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }};void UseMallocFree(void){ Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態內存 a->Initialize(); // 初始化 //… a->Destroy(); // 清除工作 free(a); // 釋放內存}void UseNewDelete(void){ Obj *a = new Obj; // 申請動態內存並且初始化 //… delete a; // 清除並且釋放內存}     示例6 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理  類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能,函數Destroy模擬了析構函數的功能。函數UseMallocFree中,由於 malloc/free不能執行構造函數與析構函數,必須調用成員函數Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函數 UseNewDelete則簡單得多。  所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存管理,應該用new/delete。由於內部數據類型的“對象”沒有構造與析構的過程,對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。  既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free,為什麼C++不把malloc/free淘汰出局呢?這是因為C++程序經常要調用C函數,而C程序只能用malloc/free管理動態內存。



  如果用free釋放“new創建的動態對象”,那麼該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態內存”,理論上講程序不會出錯,但是該程序的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用,malloc/free也一樣。  7、內存耗盡怎麼辦?  如果在申請動態內存時找不到足夠大的內存塊,malloc和new將返回NULL指針,宣告內存申請失敗。通常有三種方式處理“內存耗盡”問題。  (1)判斷指針是否為NULL,如果是則馬上用return語句終止本函數。例如:void Func(void){ A *a = new A; if(a == NULL) {  return; } …}  (2)判斷指針是否為NULL,如果是則馬上用exit(1)終止整個程序的運行。例如:void Func(void){ A *a = new A; if(a == NULL) {  cout << “Memory Exhausted” << endl;  exit(1); } …}  (3)為new和malloc設置異常處理函數。例如Visual C++可以用_set_new_hander函數為new設置用戶自己定義的異常處理函數,也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函數。詳細內容請參考C++使用手冊。  上述(1)(2)方式使用最普遍。如果一個函數內有多處需要申請動態內存,那麼方式(1)就顯得力不從心(釋放內存很麻煩),應該用方式(2)來處理。  很多人不忍心用exit(1),問:“不編寫出錯處理程序,讓操作系統自己解決行不行?”  不行。如果發生“內存耗盡”這樣的事情,一般說來應用程序已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程序殺死,它可能會害死操作系統。道理如同:如果不把歹徒擊斃,歹徒在老死之前會犯下更多的罪。  有一個很重要的現象要告訴大家。對於32位以上的應用程序而言,無論怎樣使用malloc與new,幾乎不可能導致“內存耗盡”。我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程序,見示例7。這個程序會無休止地運行下去,根本不會終止。因為32位操作系統支持“虛存”,內存用完了,自動用硬盤空間頂替。我只聽到硬盤嘎吱嘎吱地響,Window 98已經累得對鍵盤、鼠標毫無反應。  我可以得出這麼一個結論:對於32位以上的應用程序,“內存耗盡”錯誤處理程序毫無用處。這下可把Unix和Windows程序員們樂壞了:反正錯誤處理程序不起作用,我就不寫了,省了很多麻煩。  我不想誤導讀者,必須強調:不加錯誤處理將導致程序的質量很差,千萬不可因小失大。void main(void){ float *p = NULL; while(TRUE) {  p = new float[1000000];  cout << “eat memory” << endl;  if(p==NULL)   exit(1); }}  示例7試圖耗盡操作系統的內存  8、malloc/free 的使用要點  函數malloc的原型如下:void * malloc(size_t size);  用malloc申請一塊長度為length的整數類型的內存,程序如下:int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);  我們應當把注意力集中在兩個要素上:“類型轉換”和“sizeof”。  * malloc返回值的類型是void *,所以在調用malloc時要顯式地進行類型轉換,將void * 轉換成所需要的指針類型。  * malloc函數本身並不識別要申請的內存是什麼類型,它只關心內存的總字節數。我們通常記不住int, float等數據類型的變量的確切字節數。例如int變量在16位系統下是2個字節,在32位下是4個字節;而float變量在16位系統下是4個字節,在32位下也是4個字節。最好用以下程序作一次測試:cout << sizeof(char) << endl;cout << sizeof(int) << endl;cout << sizeof(unsigned int) << endl;cout << sizeof(long) << endl;cout << sizeof(unsigned long) << endl;cout << sizeof(float) << endl;cout << sizeof(double) << endl;cout << sizeof(void *) << endl;  在malloc的“()”中使用sizeof運算符是良好的風格,但要當心有時我們會昏了頭,寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程序來。  * 函數free的原型如下:void free( void * memblock );  為什麼free 函數不象malloc函數那樣復雜呢?這是因為指針p的類型以及它所指的內存的容量事先都是知道的,語句free(p)能正確地釋放內存。如果p是 NULL指針,那麼free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是NULL指針,那麼free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。  9、new/delete 的使用要點  運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多,例如:int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);int *p2 = new int[length];  這是因為new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對於非內部數據類型的對象而言,new在創建動態對象的同時完成了初始化工作。如果對象有多個構造函數,那麼new的語句也可以有多種形式。例如class Obj{ public :  Obj(void); // 無參數的構造函數  Obj(int x); // 帶一個參數的構造函數  …}void Test(void){ Obj *a = new Obj; Obj *b = new Obj(1); // 初值為1 … delete a; delete b;}  如果用new創建對象數組,那麼只能使用對象的無參數構造函數。例如Obj *objects = new Obj[100]; // 創建100個動態對象  不能寫成Obj *objects = new Obj[100](1);// 創建100個動態對象的同時賦初值1  在用delete釋放對象數組時,留意不要丟了符號‘[]’。例如delete []objects; // 正確的用法delete objects; // 錯誤的用法  後者相當於delete objects[0],漏掉了另外99個對象。  10、一些心得體會  我認識不少技術不錯的C++/C程序員,很少有人能拍拍胸脯說通曉指針與內存管理(包括我自己)。我最初學習C語言時特別怕指針,導致我開發第一個應用軟件(約1萬行C代碼)時沒有使用一個指針,全用數組來頂替指針,實在蠢笨得過分。躲避指針不是辦法,後來我改寫了這個軟件,代碼量縮小到原先的一半。  我的經驗教訓是:  (1)越是怕指針,就越要使用指針。不會正確使用指針,肯定算不上是合格的程序員。  (2)必須養成“使用調試器逐步跟蹤程序”的習慣,只有這樣才能發現問題的本質。





Copyright © Linux教程網 All Rights Reserved