通晓内存管理

Question

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
（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：
(1)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.
(2)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。
(3)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。
(4)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）。
(5)释放了内存却继续使用它。
有三种情况：
（A）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。
（B ）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。
（C ）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”。总结规则:
【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”。

Answer 1

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。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\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，编译器并不觉得语句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。
----------------------------------------------------
示例3-1 :
char a [] ==“hello ”;
a [0 ] ==‘X ’;
cout <<a <<endl;
char *p =“world ”;p [0 ] ==‘X ’;cout <<p <<endl;
进行比较。
语句p =//数组…
char b [10 ];
…
//指针…
strcpy(p,a);…
-----------------------------------------------------------2 内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。示例3-2 中，若想把数组a 的内容复制给数组b，不能用语句b =a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy 进行复制。同理，比较b 和a 的内容是否相同，不能用if(b==a)来判断，应该用标准库函数strcmp进行比较。
  语句p =a 并不能把a 的内容复制指针p，而是把a 的地址赋给了p 。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc 为p 申请一块容量为strlen(a)+1 个字符的内存，再用
strcpy 进行字符串复制。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.
----------------------------------------------------------------
示例3-2 :
//数组…
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)
//指针…
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)
----------------------------------------------------3 计算内存容量
用运算符sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。示例3-3（a）中，sizeof(a)
的值是12（注意别忘了’\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，相当于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，除非在申请内存时记住它。
注意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。示例
3-3（b）中，不论数组a 的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
----------------------------------------------
示例3-3（a):
char a [] =="hello world";
char *p =a;
cout<<sizeof(a)<<endl;//12 字节
cout<<sizeof(p)<<endl;//4 字节
示例
3-3（b):
void Func(char a [100 ])
{
cout<<sizeof(a)<<endl;//4 字节而不是100 字节
}

Answer 2

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。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\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，编译器并不觉得语句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。
----------------------------------------------------
示例3-1 :
char a [] ==“hello ”;
a [0 ] ==‘X ’;
cout <<a <<endl;
char *p =“world ”;p [0 ] ==‘X ’;cout <<p <<endl;
进行比较。
语句p =//数组…
char b [10 ];
…
//指针…
strcpy(p,a);…
-----------------------------------------------------------2 内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。示例3-2 中，若想把数组a 的内容复制给数组b，不能用语句b =a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy 进行复制。同理，比较b 和a 的内容是否相同，不能用if(b==a)来判断，应该用标准库函数strcmp进行比较。
  语句p =a 并不能把a 的内容复制指针p，而是把a 的地址赋给了p 。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc 为p 申请一块容量为strlen(a)+1 个字符的内存，再用
strcpy 进行字符串复制。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.
----------------------------------------------------------------
示例3-2 :
//数组…
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)
//指针…
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)
----------------------------------------------------3 计算内存容量
用运算符sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。示例3-3（a）中，sizeof(a)
的值是12（注意别忘了’\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，相当于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，除非在申请内存时记住它。
注意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。示例
3-3（b）中，不论数组a 的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
----------------------------------------------
示例3-3（a):
char a [] =="hello world";
char *p =a;
cout<<sizeof(a)<<endl;//12 字节
cout<<sizeof(p)<<endl;//4 字节
示例
3-3（b):
void Func(char a [100 ])
{
cout<<sizeof(a)<<endl;//4 字节而不是100 字节
}

Answer 3

4.指针参数是如何传递内存的？如果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。示例4-1 中，Test 函数的语句GetMemory(str,200)并没有使str 获得期望的内存，str 依旧是NULL，为什么？
--------------------------------------------------------
示例4-1 :
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
}
_____________________________________________________________
毛病出在函数GetMemory 中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针
参数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。在本例中，_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 丝毫未变。所以函数GetMemory
并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory 就会泄露一块内存，因为没有用free 释放内存。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”，见示例4-2 。
-----------------------------------------------------------
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);//注意参数是&str，而不是str
strcpy(str,"hello");
cout<<str <<endl;
free(str);
}
-----------------------------------------------------
由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例4-3 。
----------------------------------------------------------
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);
}
-------------------------------------------------------
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把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，见示例4-4 。
-----------------------------------------------------
示例4-4 :
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;
}
----------------------------------------------
用调试器逐步跟踪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。
如果把示例4-4 改写成示例4-5 ，会怎么样？
--------------------------------------------------
示例4-5 
char *GetString2(void)
{
char *p ="hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str =NULL;
str =GetString2();
cout<<str <<endl;
}
------------------------------------------------------------
函数Test5 运行虽然不会出错，但是函数GetString2 的设计概念却是错误的。因为
GetString2 内的“hello world ”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内
恒定不变。无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。

Answer 4

5.free 和delete 把指针怎么啦？别看free 和delete 的名字恶狠狠的（尤其是delete ），它们只是把指针所指的内存给
释放掉，但并没有把指针本身干掉。
用调试器跟踪示例5-1 ，发现指针p 被free 以后其地址仍然不变（非NULL ），只是
该地址对应的内存是垃圾，p 成了“野指针”。如果此时不把p 设置为NULL ，会让人误
以为p 是个合法的指针。
如果程序比较长，我们有时记不住p 所指的内存是否已经被释放，在继续使用p 之
前，通常会用语句if (p !=NULL)进行防错处理。很遗憾，此时if 语句起不到防错作用，
因为即便p 不是NULL 指针，它也不指向合法的内存块。
------------------------------------------------------------
示例5-1 :
char *p =(char *)malloc(100);
strcpy(p,“hello ”);
free(p);//p 所指的内存被释放，但是p 所指的地址仍然不变
…
if(p !=NULL)//没有起到防错作用
{
strcpy(p,“world ”);//出错
}
------------------------------------------------------------6 动态内存会被自动释放吗？函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例6-1 是正确的。理
由是p 是局部的指针变量，它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉！
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示例6-1 
void Func(void)
{
char *p =(char *)malloc(100);//动态内存会自动释放吗？
}
----------------------------------------------------------
我们发现指针有一些“似是而非”的特征：
（1 ）指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。
（2）内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了NULL 指针。
这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气，一定要找出可以
草率行事的理由：
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。既然如此，
在程序临终前，就可以不必释放内存、不必将指针设置为NULL 了。终于可以偷懒而不会
发生错误了吧？
想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办？