高質量C++/C編程指南(七)

  第7章 內存治理
  歡迎進入內存這片雷區。偉大的Bill Gates 曾經失言:
  640K ought to be enough for everybody
  — Bill Gates 1981
  程序員們經常編寫內存治理程序,往往提心吊膽。假如不想觸雷,唯一的解決辦法就是發現所有潛伏的地雷並且排除它們,躲是躲不了的。本章的內容比一般教科書的要深入得多,讀者需細心閱讀,做到真正地通曉內存治理。
  7.1內存分配方式
  內存分配方式有三種:
  (1) 從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好,這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量,static變量。
  (2) 在棧上創建。在執行函數時,函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建,函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內存容量有限。
  (3) 從堆上分配,亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存,程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由我們決定,使用非常靈活,但問題也最多。
  7.2常見的內存錯誤及其對策
  發生內存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤,通常是在程序運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的症狀,時隱時現,增加了改錯的難度。有時用戶怒氣沖沖地把你找來,程序卻沒有發生任何問題,你一走,錯誤又發作了。
  常見的內存錯誤及其對策如下:
  u 內存分配未成功,卻使用了它。
  編程新手常犯這種錯誤,因爲他們沒有意識到內存分配會不成功。常用解決辦法是,在使用內存之前檢查指針是否爲NULL。假如指針p是函數的參數,那麽在函數的入口處用assert(p!=NULL)進行檢查。假如是用malloc或new來申請內存,應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。
  u 內存分配雖然成功,但是尚未初始化就引用它。
  犯這種錯誤主要有兩個起因:一是沒有初始化的觀念;二是誤以爲內存的缺省初值全爲零,導致引用初值錯誤(例如數組)。
  內存的缺省初值究竟是什麽並沒有統一的標准,盡管有些時候爲零值,我們甯可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創建數組,都別忘了賦初值,即便是賦零值也不可省略,不要嫌麻煩。
  u 內存分配成功並且已經初始化,但操作越過了內存的邊界。
  例如在使用數組時經常發生下標「多1」或者「少1」的操作。非凡是在for循環語句中,循環次數很輕易搞錯,導致數組操作越界。
  u 忘記了釋放內存,造成內存泄露。
  含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊內存。剛開始時系統的內存充足,你看不到錯誤。終有一次程序忽然死掉,系統出現提示:內存耗盡。
  動態內存的申請與釋放必須配對,程序中malloc與free的使用次數一定要相同,否則肯定有錯誤(new/delete同理)。
  u 釋放了內存卻繼續使用它。
  有三種情況:
  (1)程序中的對象調用關系過于複雜,實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了內存,此時應該重新設計數據結構,從根本上解決對象治理的混亂局面。
  (2)函數的return語句寫錯了,注重不要返回指向「棧內存」的「指針」或者「引用」,因爲該內存在函數體結束時被自動銷毀。
  (3)使用free或delete釋放了內存後,沒有將指針設置爲NULL。導致産生「野指針」。
  l 【規則7-2-1】用malloc或new申請內存之後,應該立即檢查指針值是否爲NULL。防止使用指針值爲NULL的內存。
  l 【規則7-2-2】不要忘記爲數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作爲右值使用。
  l 【規則7-2-3】避免數組或指針的下標越界,非凡要當心發生「多1」或者「少1」操作。
  l 【規則7-2-4】動態內存的申請與釋放必須配對,防止內存泄漏。
  l 【規則7-2-5】用free或delete釋放了內存之後,立即將指針設置爲NULL,防止産生「野指針」。
  7.3指針與數組的對比
  C++/C程序中,指針和數組在不少地方可以相互替換著用,讓人産生一種錯覺,以爲兩者是等價的。
  數組要麽在靜態存儲區被創建(如全局數組),要麽在棧上被創建。數組名對應著(而不是指向)一塊內存,其地址與容量在生命期內保持不變,只有數組的內容可以改變。
  指針可以隨時指向任意類型的內存塊,它的特征是「可變」,所以我們常用指針來操作動態內存。指針遠比數組靈活,但也更危險。
  下面以字符串爲例比較指針與數組的特性。
  7.3.1 修改內容
  示例7-3-1中,字符數組a的容量是6個字符,其內容爲hello\0。a的內容可以改變,如a[0]= 『X』。指針p指向常量字符串「world」(位于靜態存儲區,內容爲world\0),常量字符串的內容是不可以被修改的。從語法上看,編譯器並不覺得語句p[0]= 『X』有什麽不妥,但是該語句企圖修改常量字符串的內容而導致運行錯誤。
  char a[] = 「hello」;
  a[0] = 『X』;
  cout << a << endl;
  char *p = 「world」; // 注重p指向常量字符串
  p[0] = 『X』; // 編譯器不能發現該錯誤
  cout << p << endl;
  
   示例7-3-1 修改數組和指針的內容
  7.3.2 內容複制與比較
  不能對數組名進行直接複制與比較。示例7-3-2中,若想把數組a的內容複制給數組b,不能用語句 b = a ,否則將産生編譯錯誤。應該用標准庫函數strcpy進行複制。同理,比較b和a的內容是否相同,不能用if(b==a) 來判定,應該用標准庫函數strcmp進行比較。
  語句p = a 並不能把a的內容複制指針p,而是把a的地址賦給了p。要想複制a的內容,可以先用庫函數malloc爲p申請一塊容量爲strlen(a)+1個字符的內存,再用strcpy進行字符串複制。同理,語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址,應該用庫函數strcmp來比較。
  // 數組…
  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)
  …
  // 指針…
  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)
  …
  示例7-3-2 數組和指針的內容複制與比較
  7.3.3 計算內存容量
  用運算符sizeof可以計算出數組的容量(字節數)。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)的值是12(注重別忘了』\0』)。指針p指向a,但是sizeof(p)的值卻是4。這是因爲sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節數,相當于sizeof(char*),而不是p所指的內存容量。C++/C語言沒有辦法知道指針所指的內存容量,除非在申請內存時記住它。
  注重當數組作爲函數的參數進行傳遞時,該數組自動退化爲同類型的指針。示例7-3-3(b)中,不論數組a的容量是多少,sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。
  char a[] = "hello world";
  char *p = a;
  cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節
  cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節
  示例7-3-3(a) 計算數組和指針的內存容量
  void Func(char a[100])
  {
  cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節
  }
  示例7-3-3(b) 數組退化爲指針
  7.4指針參數是如何傳遞內存的?
  假如函數的參數是一個指針,不要指望用該指針去申請動態內存。示例7-4-1中,Test函數的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的內存,str依舊是NULL,爲什麽?
  void GetMemory(char *p, int num)
  {
  p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  }
  void Test(void)
  {
  char *str = NULL;
  GetMemory(str, 100); // str 仍然爲 NULL
  strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤
  }
  示例7-4-1 試圖用指針參數申請動態內存
  毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要爲函數的每個參數制作臨時副本,指針參數p的副本是 _p,編譯器使 _p = p。假如函數體內的程序修改了_p的內容,就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針可以用作輸出參數的原因。在本例中,_p申請了新的內存,只是把_p所指的內存地址改變了,但是p絲毫未變。所以函數GetMemory並不能輸出任何東西。事實上,每執行一次GetMemory就會泄露一塊內存,因爲沒有用free釋放內存。 更多內容請看C/C++技術專題 Java編程開發手冊專題,或
  假如非得要用指針參數去申請內存,那麽應該改用「指向指針的指針」,見示例7-4-2。
  void GetMemory2(char **p, int num)
  {
  *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
  }
  
   void Test2(void)
  {
  char *str = NULL;
  GetMemory2(&str, 100); // 注重參數是 &str,而不是str
  strcpy(str, "hello");
  cout<< str << endl;
  free(str);
  }
  示例7-4-2用指向指針的指針申請動態內存
  由于「指向指針的指針」這個概念不輕易理解,我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。這種方法更加簡單,見示例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);
  }
  
   示例7-4-3 用函數返回值來傳遞動態內存
  用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用,但是經常有人把return語句用錯了。這裏強調不要用return語句返回指向「棧內存」的指針,因爲該內存在函數結束時自動消亡,見示例7-4-4。
  char *GetString(void)
  {
  char p[] = "hello world";
  return p; // 編譯器將提出警告
  }
  void Test4(void)
  {
  char *str = NULL;
  str = GetString(); // str 的內容是垃圾
  cout<< str << endl;
  }
  示例7-4-4 return語句返回指向「棧內存」的指針
  用調試器逐步跟蹤Test4,發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指針,但是str的內容不是「hello world」而是垃圾。
  假如把示例7-4-4改寫成示例7-4-5,會怎麽樣?
  char *GetString2(void)
  {
  char *p = "hello world";
  return p;
  }
  void Test5(void)
  {
  char *str = NULL;
  str = GetString2();
  cout<< str << endl;
  }
  示例7-4-5 return語句返回常量字符串
  函數Test5運行雖然不會出錯,但是函數GetString2的設計概念卻是錯誤的。因爲GetString2內的「hello world」是常量字符串,位于靜態存儲區,它在程序生命期內恒定不變。無論什麽時候調用GetString2,它返回的始終是同一個「只讀」的內存塊。
  7.5 free和delete把指針怎麽啦?
  7.7 杜絕「野指針」
  「野指針」不是NULL指針,是指向「垃圾」內存的指針。人們一般不會錯用NULL指針,因爲用if語句很輕易判定。但是「野指針」是很危險的,if語句對它不起作用。
  「野指針」的成因主要有兩種:
  (1)指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成爲NULL指針,它的缺省值是隨機的,它會亂指一氣。所以,指針變量在創建的同時應當被初始化,要麽將指針設置爲NULL,要麽讓它指向合法的內存。例如
  char *p = NULL;
  char *str = (char *) malloc(100);
  (2)指針p被free或者delete之後,沒有置爲NULL,讓人誤以爲p是個合法的指針。參見7.5節。
  (3)指針操作超越了變量的作用範圍。這種情況讓人防不勝防,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; // 注重 a 的生命期
  }
  p->Func(); // p是「野指針」
  }
  函數Test在執行語句p->Func()時,對象a已經消失,而p是指向a的,所以p就成了「野指針」。但希奇的是我運行這個程序時居然沒有出錯,這可能與編譯器有關。
  7.8 有了malloc/free爲什麽還要new/delete ?
  malloc與free是C++/C語言的標准庫函數,new/delete是C++的運算符。它們都可用于申請動態內存和釋放內存。
  對于非內部數據類型的對象而言,光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。對象在創建的同時要自動執行構造函數,對象在消亡之前要自動執行析構函數。由于malloc/free是庫函數而不是運算符,不在編譯器控制權限之內,不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加于malloc/free。
  因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new,以及一個能完成清理與釋放內存工作的運算符delete。注重new/delete不是庫函數。
  我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存治理,見示例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)); // 申請動態內存
  a->Initialize(); // 初始化
  //…
  a->Destroy(); // 清除工作
  free(a); // 釋放內存
  }
  void UseNewDelete(void)
  {
  Obj *a = new Obj; // 申請動態內存並且初始化
  //…
  delete a; // 清除並且釋放內存
  } 更多內容請看C/C++技術專題 Java編程開發手冊專題,或
  
   示例7-8 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存治理
  
   類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能,函數Destroy模擬了析構函數的功能。函數UseMallocFree中,由于malloc/free不能執行構造函數與析構函數,必須調用成員函數Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函數UseNewDelete則簡單得多。
  所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存治理,應該用new/delete。由于內部數據類型的「對象」沒有構造與析構的過程,對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。
  既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free,爲什麽C++不把malloc/free淘汰出局呢?這是因爲C++程序經常要調用C函數,而C程序只能用malloc/free治理動態內存。
  假如用free釋放「new創建的動態對象」,那麽該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。假如用delete釋放「malloc申請的動態內存」,理論上講程序不會出錯,但是該程序的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用,malloc/free也一樣。
  7.9 內存耗盡怎麽辦?
  假如在申請動態內存時找不到足夠大的內存塊,malloc和new將返回NULL指針,宣告內存申請失敗。通常有三種方式處理「內存耗盡」問題。
  (1)判定指針是否爲NULL,假如是則馬上用return語句終止本函數。例如:
  void Func(void)
  {
  A *a = new A;
  if(a == NULL)
  {
  return;
  }
  …
  }
  (2)判定指針是否爲NULL,假如是則馬上用exit(1)終止整個程序的運行。例如:
  void Func(void)
  {
  A *a = new A;
  if(a == NULL)
  {
  cout << 「Memory Exhausted」 << endl;
  exit(1);
  }
  …
  }
  (3)爲new和malloc設置異常處理函數。例如Visual C++可以用_set_new_hander函數爲new設置用戶自己定義的異常處理函數,也可以讓malloc享用與new相同的異常處理函數。具體內容請參考C++使用手冊。
  上述(1)(2)方式使用最普遍。假如一個函數內有多處需要申請動態內存,那麽方式(1)就顯得力不從心(釋放內存很麻煩),應該用方式(2)來處理。
  很多人不忍心用exit(1),問:「不編寫出錯處理程序,讓操作系統自己解決行不行?」
  不行。假如發生「內存耗盡」這樣的事情,一般說來應用程序已經無藥可救。假如不用exit(1) 把壞程序殺死,它可能會害死操作系統。道理如同:假如不把歹徒擊斃,歹徒在老死之前會犯下更多的罪。
  有一個很重要的現象要告訴大家。對于32位以上的應用程序而言,無論怎樣使用malloc與new,幾乎不可能導致「內存耗盡」。我在Windows 98下用Visual C++編寫了測試程序,見示例7-9。這個程序會無休止地運行下去,根本不會終止。因爲32位操作系統支持「虛存」,內存用完了,自動用硬盤空間頂替。我只聽到硬盤嘎吱嘎吱地響,Window 98已經累得對鍵盤、鼠標毫無反應。
  我可以得出這麽一個結論:對于32位以上的應用程序,「內存耗盡」錯誤處理程序毫無用處。這下可把Unix和Windows程序員們樂壞了:反正錯誤處理程序不起作用,我就不寫了,省了很多麻煩。
  我不想誤導讀者,必須強調:不加錯誤處理將導致程序的質量很差,千萬不可因小失大。
  void main(void)
  {
  float *p = NULL;
  while(TRUE)
  {
  p = new float[1000000];
  cout << 「eat memory」 << endl;
  if(p==NULL)
  exit(1);
  }
  }
  示例7-9試圖耗盡操作系統的內存
  .10 malloc/free 的使用要點
  函數malloc的原型如下:
  void * malloc(size_t size);
  用malloc申請一塊長度爲length的整數類型的內存,程序如下:
  int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
  我們應當把注重力集中在兩個要素上:「類型轉換」和「sizeof」。
  u malloc返回值的類型是void *,所以在調用malloc時要顯式地進行類型轉換,將void * 轉換成所需要的指針類型。
  u malloc函數本身並不識別要申請的內存是什麽類型,它只關心內存的總字節數。我們通常記不住int, float等數據類型的變量的確切字節數。例如int變量在16位系統下是2個字節,在32位下是4個字節;而float變量在16位系統下是4個字節,在32位下也是4個字節。最好用以下程序作一次測試:
  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;
  
   在malloc的「()」中使用sizeof運算符是良好的風格,但要當心有時我們會昏了頭,寫出 p = malloc(sizeof(p))這樣的程序來。
  u 函數free的原型如下:
  void free( void * memblock );
  爲什麽free函數不象malloc函數那樣複雜呢?這是因爲指針p的類型以及它所指的內存的容量事先都是知道的,語句free(p)能正確地釋放內存。假如p是NULL指針,那麽free對p無論操作多少次都不會出問題。假如p不是NULL指針,那麽free對p連續操作兩次就會導致程序運行錯誤。
  7.11 new/delete 的使用要點
  運算符new使用起來要比函數malloc簡單得多,例如:
  int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
  int *p2 = new int[length];
  這是因爲new內置了sizeof、類型轉換和類型安全檢查功能。對于非內部數據類型的對象而言,new在創建動態對象的同時完成了初始化工作。假如對象有多個構造函數,那麽new的語句也可以有多種形式。例如
  class Obj
  {
  public :
  Obj(void); // 無參數的構造函數
  Obj(int x); // 帶一個參數的構造函數
  …
  }
  void Test(void)
  {
  Obj *a = new Obj;
  Obj *b = new Obj(1); // 初值爲1
  …
  delete a;
  delete b;
  }
  假如用new創建對象數組,那麽只能使用對象的無參數構造函數。例如
  Obj *objects = new Obj[100]; // 創建100個動態對象
  不能寫成
  Obj *objects = new Obj[100](1);// 創建100個動態對象的同時賦初值1
  在用delete釋放對象數組時,留意不要丟了符號『[]』。例如
  delete []objects; // 正確的用法
  delete objects; // 錯誤的用法
  後者相當于delete objects[0],漏掉了另外99個對象。
  7.12 一些心得體會
  我熟悉不少技術不錯的C++/C程序員,很少有人能拍拍胸脯說通曉指針與內存治理(包括我自己)。我最初學習C語言時非凡怕指針,導致我開發第一個應用軟件(約1萬行C代碼)時沒有使用一個指針,全用數組來頂替指針,實在蠢笨得過分。躲避指針不是辦法,後來我改寫了這個軟件,代碼量縮小到原先的一半。
  我的經驗教訓是:
  (1)越是怕指針,就越要使用指針。不會正確使用指針,肯定算不上是合格的程序員。
  (2)必須養成「使用調試器逐步跟蹤程序」的習慣,只有這樣才能發現問題的本質。 更多內容請看C/C++技術專題 Java編程開發手冊專題,或