内存管理
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了内存管理,小编现在分享给大家,供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含10159字,纯文字阅读大概需要15分钟。
内容图文
7.1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。
7.2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)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:
(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7-2-1】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7-2-2】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7-2-3】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7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。
【规则7-2-5】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”。
7.3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。
7.3.1 修改内容
示例7-3-1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。
- 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’;// 编译器不能发现该错误
-
cout << p << endl;
- 示例7-3-1 修改数组和指针的内容
不能对数组名进行直接复制与比较。示例7-3-2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。
- // 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…
-
intlen= 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)
- …
用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。示例7-3-3(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7-3-3(b)中,不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
- char a[]="hello world";
-
char *p = a;
-
cout<< sizeof(a)<< endl;// 12字节
-
cout<< sizeof(p)<< endl;// 4字节
- 示例7-3-3(a) 计算数组和指针的内存容量
-
void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
}
示例7-3-3(b) 数组退化为指针
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7-4-1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?
- 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
-
}
- 示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存
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); // 注意参数是 &str,而不是str
-
strcpy(str,"hello");
-
cout<<str<< endl;
-
free(str);
-
}
- 示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存
- 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 用函数返回值来传递动态内存
- 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;
-
}
- 示例7-4-4 return语句返回指向“栈内存”的指针
如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5,会怎么样?
- char *GetString2(void)
-
{
-
char *p ="hello world";
-
return p;
-
}
-
void Test5(void)
-
{
-
char *str= NULL;
-
str= GetString2();
-
cout<<str<< endl;
-
}
- 示例7-4-5 return语句返回常量字符串
7.5 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7-5,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。
- 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
-
}
- 示例7-5 p成为野指针
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7-6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!
- void Func(void)
- {
-
char *p =(char *) malloc(100);// 动态内存会自动释放吗?
- }
- 示例7-6 试图让动态内存自动释放
(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?
7.7 杜绝“野指针”
“野指针”不是NULL指针,是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针,因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if语句对它不起作用。
“野指针”的成因主要有两种:
(1)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,它会乱指一气。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;
- char *str=(char *) malloc(100)
(3)指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防,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“野指针”
- }
7.8 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7-8。
- 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)); // 申请动态内存
-
a->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7-8 用malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理
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。
7.9 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;
-
}
-
…
- }
- void Func(void)
-
{
-
A *a = new A;
- if(a == NULL)
-
{
-
cout << “Memory Exhausted” << endl;
-
exit(1);
-
}
-
…
- }
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”。
7.10 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”。
(1)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。
(2)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 <<sizeof(float)<< endl;
-
cout <<sizeof(double)<< endl;
- cout <<sizeof(void *)<< endl
函数free的原型如下:
void free( void * memblock );
为什么free函数不象malloc函数那样复杂呢?这是因为指针p的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的,语句free(p)能正确地释放内存。如果p是NULL指针,那么free对p无论操作多少次都不会出问题。如果p不是NULL指针,那么free对p连续操作两次就会导致程序运行错误。
7.11 new/delete 的使用要点
运算符new使用起来要比函数malloc简单得多,例如:
int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
这是因为new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言,new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数,那么new的语句也可以有多种形式。例如
- class Obj
-
{
- public:
-
Obj(void); // 无参数的构造函数
-
Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
-
…
-
}
-
void Test(void)
-
{
-
Obj *a = new Obj;
-
Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
-
…
-
delete a;
-
delete b;
- }
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象
不能写成
Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1
在用delete释放对象数组时,留意不要丢了符号‘[]’。例如
delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法
后者相当于delete objects[0],漏掉了另外99个对象。
感谢本文:
作 者: | 林锐 博士 |
原文:http://blog.chinaunix.net/uid-28894229-id-4648316.html
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的内存管理全部内容,希望文章能够帮你解决内存管理所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错,欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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