七、内存管理
在写C/C++程序的时候,最头疼的部分一定包括内存管理,一提到内存管理总是提心吊胆,但是又不可避免地常常会遇到,而这块的知识也是公司招聘的一个评价方面,能够很好地体现笔试面试者的功底。这部分的内容稍深一些,大家细心阅读,能对内存管理有一个比较好的把握。
7.1 内存分配的方式
最长被问到的问题之一,基础中的基础。对C和C++而言,内存分配方式有三种:
1)从静态存储区域分配。例如程序中定义的全局变量和static变量就是这种方式分配内存的。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。
2)在栈上创建。这是出现最多的情况,我们程序中的int var就是这种情况的内存分配方式。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m a lloc 或new 申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用free 或de lete 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。
6.2 常见的内存错误及其相应建议
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。
常见的内存错误和处理方法如下:
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:
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”。
针对以上这些稍不留神,一疏忽就容易犯的错误,这里提出以下建议:
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。
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。
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。
4)动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。
5)用free 或delete 释放了内存之后,立即将指针设置为NUL L ,防止产生“野指针”
6.3 指针与数组
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。下面从一些角度说明指针和数组的不同。
1)关于两者的内容修改
一个例子,以下程序:
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;
字符数组a的容量是6个字符,其内容为hello (位于栈上)。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 ),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。
2)关于两者进行内容复制
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。
具体的例子如下程序所示:
// 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)关于两者内存容量的计算
用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。如下例程序中,sizeof(a)的值是12(注意别忘了’