C和C++内存管理详解

主要内容为：malloc、calloc、realloc、new、free/delete

一、malloc - 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C/C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。

原型：

extern void *malloc(unsigned int num_bytes);

用例：

some_type* pointer;
pointer = malloc(count * sizeof(*pointer));

　　1、这个方法保证malloc()会分配正确数量的内存，而不用考虑pointer的生命。如果pointer的类型后来变了，sizeof算子自动确保要分配的字节数仍然正确。

　　2、malloc() 返回的内存是“没有初始化“的。这块内存可能包含任何随机的垃圾，你可以马上用有效数据或者至少是用零来初始化这块内存。要用0初始化，可以用

void *memset(void *s, int c, size_t n);

　　3、malloc()最终通过缺页异常获取的物理内存中的原有数据，大多数情况下是0(但不能保证一定是0)

二、calloc - 在内存的动态存储区中分配n个长度为size的连续空间，并初始化为0，函数返回一个指向分配起始地址的指针，如果分配不成功，返回NULL

原型：

void *calloc(size_t n, size_t size)；//n为要分配size个大小的次数

用例：

char* str = (char*)calloc( 1, 5 * sizeof(char) );

有经验的程序员更喜欢使用calloc()，因为这样的话新分配内存的内容就不会有什么问题，调用calloc()肯定会清0并且可以避免调用memset()。

三、realloc - 先判断当前的指针是否有足够的连续空间，如果有，扩大mem_address指向的地址，并且将mem_address返回，如果空间不够，先按照newsize指定的大小分配空间，将原有数据从头到尾拷贝到新分配的内存区域，而后释放原来mem_address所指内存区域（注意：原来指针是自动释放，不需要使用free），同时返回新分配的内存区域的首地址。即重新分配存储器块的地址。

原型：

extern void *realloc(void *mem_address, unsigned int newsize);

例子：

str3 = (char*)realloc( str2, 6 );

　　原始内存中的数据是保持不变的。

四、free

　　1、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

　　2、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

　　3、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。但是只有当p = NULL时if (p != NULL)才起作用。

五、new 和 malloc

(1)、new 是c++中的操作符，malloc是c 中的一个函数.

(2)、new 不止是分配内存，而且会调用类的构造函数，同理delete会调用类的析构函数，而malloc则只分配内存，不会进行初始化类成员的工作，同样free也不会调用析构函数.

(3)、内存泄漏对于malloc或者new都可以检查出来的，区别在于new可以指明是那个文件的那一行，而malloc没有这些信息。

(4)、new 和 malloc效率比较

(a)new可以认为是malloc加构造函数的执行。

(b)new出来的指针是直接带类型信息的 而malloc返回的都是void指针。

六、new / delete 和 malloc / free

(a)New/ delete 是运算符，malloc/free是函数

(b)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。

(c)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。

(d)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。

(e)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.

(f)new delete在实现上其实调用了malloc,free函数。new operator除了分配内存，还要调用构造函数,malloc函数只是负责分配内存。

(g)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。

七、malloc/free 的使用要点

(a)malloc只关心两个要素：“类型转换”和“sizeof”

(b)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.

(c)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。

(d)语句free(p)之所以能正确地释放内存.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。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。

八、new/delete 的使用要点

(a)运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，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：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

int *p2 = new int[length];

(b)如果用new创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。

Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象

(c)在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号“[]”。delete []objects; // 正确的用法

九、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：

(a）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。

(b)指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针.

(c)指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防，

十、内存分配方式

内存分配方式有三种：

（a）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。

（b）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。

（c）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。

**常见的内存错误及其对策

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”。

**改正注意事项：

(a)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。

(b)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。

(c)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。

(d)动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。

(f)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”。

十一、指针与数组的对比

(a)指针和数组在不少地方可以相互替换着用，但两者不是等价的！

(b)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。

(c)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。

(d)若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a ，应该用标准库函数strcpy进行复制

(f)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

(g)语句p = a 不是把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。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。

(h)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。

(i)用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）（注意别忘了’\0’）。

(j)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。

(k)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。(即在函数内的用数组名的本质是相对应的指针)。

十二、指针参数的传递内存

(a)如果函数的参数是一个指针，不能用该指针去申请动态内存。

(b)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”.

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);
}

(c)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。

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);
}

14、处理内存耗尽问题

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

(a)判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数。

void Func(void)
{
A  *a = new A;
if(a == NULL)
{
return;
}
…
}

（2）判断指针是否为NULL，如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如：

void Func(void)
{
A  *a = new A;
if(a == NULL)
{
cout << “Memory Exhausted” << endl;
exit(1);
}
…
}

（3）为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander函数为new设置用户自己定义的异常处理函数，也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。

**（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。