前言

前两篇笔记对这本书里面的文件结构、代码风格、命名规则、表达式和基本语句的良好编程习惯，将记录常量与函数设计做了记录。本篇读书笔记（4）将记录

内存管理

内存分配方式

内存分配的方式有三种：

（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。

常见的内存错误及对策

发生内存错误通常是才在程序运行时能捕捉到。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。

常见的内存错误及其对策如下：

内存分配未成功，却使用了它

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。

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）。

无论用何种方式创建，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略。

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。

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）。

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”。

 【规则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。
【规则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。
【规则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。
【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
【规则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”。

指针与数组的对比

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”

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。

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;

修改内容

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。

内容复制与比较

// 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)

用标准库函数strcpy 进行复制。
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。

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 *)。

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


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

 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？

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
}

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。

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);
}

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(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)
{
    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;
}

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“hello world”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 = "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。

free 和delete 把指针怎么啦？

别看 free 和delete 的名字恶狠狠的（尤其是delete），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。用调试器跟踪示例7-5，发现指针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。如果程序比较长，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。很遗憾，此时if 语句起不到防错作用，因为即便p 不是NULL 指针，它也不指向合法的内存块。

strcpy(p, “hello”);
free(p); // p 所指的内存被释放，但是p 所指的地址仍然不变
…
if(p != NULL) // 没有起到防错作用
{
strcpy(p, “world”); // 出错
}

动态内存会被自动释放吗？

函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例7-6 是正确的。理由是p 是局部的指针变量，它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉！

void Func(void)
{
    char *p = (char *) malloc(100); // 动态内存会自动释放吗？
}

示例 7-6 试图让动态内存自动释放
我们发现指针有一些“似是而非”的特征：
（1）指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。
（2）内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了NULL 指针。
这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气，一定要找出可以
草率行事的理由：
如果程序终止了运行，一切指针都会消亡，动态内存会被操作系统回收。既然如此，
在程序临终前，就可以不必释放内存、不必将指针设置为NULL 了。终于可以偷懒而不
会发生错误了吧？
想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办？

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：

class A
{
public:
    void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
};

void Test(void)
{
    A *p;
    {
        A a;
        p = &a; // 注意 a 的生命期
    }
    p->Func(); // p 是“野指针”
}

函数 Test 在执行语句p->Func()时，对象a 已经消失，而p 是指向a 的，所以p 就成了“野指针”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错，这可能与编译器有关。

有了malloc/free 为什么还要new/delete ？

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。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。
因此 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。我们先看一看malloc/free 和new/delete 如何实现对象的动态内存管理，见示例7-8。

class Obj
{
public :
    Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
    ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
    void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
    void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void)
{
    Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
    a->Initialize(); // 初始化
    //…
    a->Destroy(); // 清除工作
    free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
    Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
    //…
    delete a; // 清除并且释放内存
}

类 Obj 的函数Initialize 模拟了构造函数的功能，函数Destroy 模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree 中，由于malloc/free 不能执行构造函数与析构函数，必须调用成员函数Initialize 和Destroy 来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete 则简单得多。所以我们不要企图用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。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。

内存耗尽怎么办？

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。
（1）判断指针是否为NULL，如果是则马上用return 语句终止本函数。例如：

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。
上述（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。很多人不忍心用exit(1)，问：“不编写出错处理程序，让操作系统自己解决行不行？”不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情，一般说来应用程序已经无药可救。如果不用exit(1) 把坏程序杀死，它可能会害死操作系统。道理如同：如果不把歹徒击毙，歹徒在老死之前会犯下更多的罪。有一个很重要的现象要告诉大家。对于32 位以上的应用程序而言，无论怎样使用malloc 与new，几乎不可能导致“内存耗尽”。我在Windows 98 下用Visual C++编写了测试程序，见示例7-9。这个程序会无休止地运行下去，根本不会终止。因为32 位操作系统支持“虚存”，内存用完了，自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响Window 98 已经累得对键盘、鼠标毫无反应。我可以得出这么一个结论：对于32 位以上的应用程序，“内存耗尽”错误处理程序毫无用处。这下可把Unix 和Windows 程序员们乐坏了：反正错误处理程序不起作用，我就不写了，省了很多麻烦。我不想误导读者，必须强调：不加错误处理将导致程序的质量很差，千万不可因小失大。

void main(void)
{
    float *p = NULL;
    while(TRUE)
    {
        p = new float[1000000];
        cout << “eat memory” << endl;
        if(p==NULL)
            exit(1);
    }
}

malloc/free 的使用要点

函数 malloc 的原型如下：

void * malloc(size_t size);

用 malloc 申请一块长度为length 的整数类型的内存，程序如下：
 

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

我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。
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。 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。我们通常记不住int, float 等数据类型的变量的确切字节数。例如int 变量在16 位系统下是2 个字节，在32 位下是4 个字节；而float 变量在16 位系统下是4 个字节，在32 位下也是4 个字节。最好用以下程序作一次测试：

cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;

头，写出 p = malloc(sizeof(p))这样的程序来。函数 free 的原型如下：void free( void * memblock );为什么free 函数不象malloc 函数那样复杂呢？这是因为指针p 的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句free(p)能正确地释放内存。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。

new/delete 的使用要点

运算符new 使用起来要比函数malloc 简单得多，例如：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];

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

class Obj
{
public :
    Obj(void); // 无参数的构造函数
    Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
}
void Test(void)
{
    Obj *a = new Obj;
    Obj *b = new Obj(1); // 初值为1

    delete a;
    delete 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。例如
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100 个动态对象
不能写成
Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100 个动态对象的同时赋初值1在用delete 释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如
delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法

后者相当于delete objects[0]，漏掉了另外99 个对象。

一些心得体会

我认识不少技术不错的C++/C 程序员，很少有人能拍拍胸脯说通晓指针与内存管理（包括我自己）。我最初学习C 语言时特别怕指针，导致我开发第一个应用软件（约1万行C 代码）时没有使用一个指针，全用数组来顶替指针，实在蠢笨得过分。躲避指针不是办法，后来我改写了这个软件，代码量缩小到原先的一半。
我的经验教训是：
（1）越是怕指针，就越要使用指针。不会正确使用指针，肯定算不上是合格的程序员。
（2）必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯，只有这样才能发现问题的本质。