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第7章内存管理欢迎进入内存这片雷区。伟大的BillGates曾经失言：640Koughttobeenoughforeverybody—BillGates1981程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。本章的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地通晓内存管理。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：u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。u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。u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。u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）。u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”。l【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。l【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。l【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。l【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。l【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。chara[]=“hello”;a[0]=‘X’;coutaendl;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coutpendl;示例7-3-1修改数组和指针的内容7.3.2内容复制与比较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…chara[]=hello;charb[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)…示例7-3-2数组和指针的内容复制与比较7.3.3计算内存容量用运算符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*)。chara[]=helloworld;char*p=a;coutsizeof(a)endl;//12字节coutsizeof(p)endl;//4字节示例7-3-3（a）计算数组和指针的内存容量voidFunc(chara[100]){coutsizeof(a)endl;//4字节而不是100字节}示例7-3-3（b）数组退化为指针7.4指针参数是如何传递内存的？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？voidGetMemory(char*p,intnum){p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);}voidTest(void){char*str=NULL;GetMemory(str,100);//str仍然为NULLstrcpy(str,hello);//运行错误}示例7-4-1试图用指针参数申请动态内存毛病出在函数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。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。voidGetMemory2(char**p,intnum){*p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);}voidTest2(void){char*str=NULL;GetMemory2(&str,100);//注意参数是&str，而不是strstrcpy(str,hello);coutstrendl;free(str);}示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存由于“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，见示例7-4-3。char*GetMemory3(intnum){char*p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);returnp;}voidTest3(void){char*str=NULL;str=GetMemory3(100);strcpy(str,hello);coutstrendl;free(str);}示例7-4-3用函数返回值来传递动态内存用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把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，见示例7-4-4。char*GetString(void){charp[]=helloworld;returnp;//编译器将提出警告}voidTest4(void){char*str=NULL;str=GetString();//str的内容是垃圾coutstrendl;}示例7-4-4return语句返回指向“栈内存”的指针用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str=GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“helloworld”而是垃圾。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=helloworld;returnp;}voidTest5(void){char*str=NULL;str=GetString2();coutstrendl;}示例7-4-5return语句返回常量字符串函数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“helloworld”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。7.5free和delete把指针怎么啦？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);（2）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。参见7.5节。（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：classA{publ