高质量C/C++编程之内存管理

内存管理

1.内存分配方式

1）从静态存储区分配
    内存在程序编译时就已经分配好，且在程序的整个运行期都存在。如全局变量，static变量存放在这里。
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，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
    在程序运行时用malloc和new申请任意的内存，程序员自己负责在何时用free和delete释放内存。

2.常见的内存错误及其对策

1）内存分配未成功，却使用了它
    对策：在使用内存前检查指针是否等于NULL。
        如果指针p为参数，在函数入口处使用断言assert(NULL == p)进行检查。
        如果使用malloc和new来申请内存，应该用if(NULL == p)进行防错。

2）内存分配虽然成功，但尚未初始化就引用它：没有初始化或者误以为内存缺省初值为0
    内存的缺省初值是没有统一的标准的
    对策：创建后赋初值

3）分配成功，且创建后赋初值，但是操作越界

4）忘记了释放内存，造成了内存泄露
    动态内存的申请和释放必须配对，程序中malloc和free的次数一定要相等

5）释放了内存，却继续使用它
    # 程序中对象调用关系过于复杂
    # return返回指向栈内存的指针或引用
    # free或delete释放内存之后，没有将指针设置为NULL，导致产生“野指针”

规则1： 使用malloc和new申请内存后，应该立即检查指针值是否为NULL，防止使用值为NULL的指针
规则2： 不要忘记对数组和动态内存赋初值，防止未初始化的内存当右值
规则3： 避免数组或指针的下标越界，特别是当心发生“多1”“少1”的操作

建议1:  动态内存的申请和释放必须配对，防止内存泄露。
建议2： 用free和delete释放内存后，立即将指针置为NULL，防止产生野指针

3.指针和数组的对比

数组要么是在静态内存区创建（全局数组），或是在栈上创建。数组名对应着一块内存。
指针可以指向任意类型的内存块，它的特征是可变，所以常用指针来操作动态内存。

1）修改内容
    数组中内容可以改变，但是如果指针指向一个常量字符串（存放在静态存储区），不可通过指针修改内容。
    char a[] = "hello";        a[0] = x;    //ok
    char *p = "world";        p[0] = x;     //error

2) 内容复制和比较
不能对数组名进行复制和比较
不能使用p = a将a的内容复制给p，只能将a的地址赋值给p。

3）计算内存容量
用运算符sizeof可以计算数组的容量（字节数）。
C/C++无法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存的时候记住它。
当数组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。

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<<sizeof(a)<<endl;        //12 bytes
cout<<sizeof(p)<<endl;        //4 bytes
void func(char a[100]){
    sizeof(a);            //a退化为同类型的指针，等于sizeof(char*),4 bytes
}

4.指针参数如何传递内存

如果函数的参数是一个指针，不要指望用该内存去申请动态内存。
void getMemory(char *p,int num){
    p = (char*)malloc(num * sizeof(char));
}
void test(void){
    char *p = NULL;
    gerMemory(p,100);        //p依然为NULL
    strcpy(p,"hello");        //error,访问空指针
}
编译器总是为函数的每一个参数制作临时副本，指针参数的副本_p，编译器是_p = p，
本例中，_p申请了新的内存，只是把_p的内存地址改变了，但p丝毫没变，getMemory不能输出任何东西。
事实上，调用一次getMemory，就会泄露一块内存。

如果非要用指针参数去申请内存，需要使用指向指针的指针。
void getMemory2(char **p,int num){
    *p = (char*)malloc(num * sizeof(char));
}
更直观的办法是使用函数返回值来传递动态内存：
char* getMemory3(int num){
    return (char*)malloc(num * sizeof(char));        //注意此处传递的是不是栈中的指针，而是动态内存指针
}

例1：
char* getString(void){
    char p[] = "hello world";            //error,传递栈中指针
    return p;
}

例2：
char* getString2(void){
    char *p = "hello world";            //由于“hello world”是常量字符串，存放在静态存储区，在程序生命周期恒定不变
    return p;                    //无论何时调用，p返回同一个只读的内存块
}

7.free和delete把指针怎么啦
free和delete只是把指针所指的内存释放掉，并没有把指针本身干掉。
free(p)之后，p的值不变，依然是以前的地址，p成了野指针，所以此时需要立刻将指针置为NULL。

6.动态内存会自己释放吗

函数体内的局部变量才会在函数结束时自动消亡。

void func(void){
    char *p = (char*)malloc(100 * sizeof(char));
}
临时变量p在函数结束时自动消亡，但是申请到的内存没有被释放，造成内存泄露

1）指针消亡了，不代表它所指向的内存自动释放
2）内存释放了，不代表指针消亡了或称为了NULL指针

7.杜绝野指针

野指针不是NULL指针，而是指向垃圾内存的地址。

野指针的成因：
1）指针变量没有被初始化
2）指针被free或delete之后，没有被置为NULL
3）指针操作超过了变量的操作返回，

8.malloc/free vs new/delete
malloc/free是C/C++标准库函数，new/delete是C++的运算符。
C/C++语言需要一个能完成动态分配初始化工作的操作符new，和一个完成清理和释放工作的运算符delete。

9.内存耗尽

如果没有足够内存，那么malloc和new将返回一个NULL指针，宣告内存申请失败。
处理内存耗尽问题：
1）判断指针是否为NULL，如果是马上用return终止本函数
2）判断指针是否为NULL，如果是，调用exit(1)
3) 为new和malloc设置异常处理函数

10.malloc/free使用要点

函数malloc原型：
void* malloc(size_t size);

1) malloc返回值为void*，需要在调用malloc时进行显示地类型转换
2）malloc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

函数free原型：
void free(void*);

11.new和delete使用要点

使用new比使用malloc简单多了，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，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的语句可以有多种类型。