高质量C/C++编程指南总结（七）—— 内存管理

1. 内存分配的方式

• 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。
• 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。
• 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. 常见的内存错误以及对策

• 内存分配未成功，却使用了它。
  • 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。
• 内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。
  • 内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。
• 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。
  
• 忘记了释放内存，造成内存泄露。
• 释放了内存却继续使用它。
  
• 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。
• 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”。

• 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。
• 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。
• 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。
• 动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
  
• 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”。

3. 指针与数组的对比

• 数组：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：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。

char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意 p 指向常量字符串，“wprld”位于静态存储区，内容为“world\0”
p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误
cout << p << endl;

• 不能对数组名进行直接复制与比较。

如下示例中，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。

// 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)

• 计算内存容量

用运算符 sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。

如下示例中 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。

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12 字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4 字节

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。

如下示例中，不论数组 a 的容量是多少， sizeof(a)始终等于 sizeof(char *)。

void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4 字节而不是 100 字节
}

4. 指针参数传递内存

• 如果函数的参数是一个指针，不要用该指针去申请动态内存。

如下示例中，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。

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。

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
}

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”，如下：

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);
}

或者使用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单。如下：

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， 但是不要把 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，如下：

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;
}

 上例中执行 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。

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。

5. free 和 delete

free 和 delete 只是把指针所知的内存释放掉，并没有删除指针本身。指针 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”。所以需要再释放后将指针置为 NULL。