2.5函数返回二进制数据
在一些场景中我们有时会想让一个函数为我们返回一些数据量比较大的二进制数据，例如，我们通过一个函数去获取摄像头的帧数据，这种情况下，外部调用者其实并不知道已经将从函数中获取到内容的大小，不知道大小自然也就无法分配内存，这种时候，我们往往这样设计。
int GetFrame(unsigned char * data) { // 实现 } // 调用 int frameLen = 0; frameLen = GetFrame(NULL); if(frameLen > 0){ unsigned char * frame = (unsigned char *)malloc(frameLen); int ret = GetFrame(frame); free(frame); }
函数可以被多次调用，根据参数的不同，函数做的事情其实也不相同。当参数为NULL的时候，实际上是外部调用者在询问函数，此时有没有数据可以被获取。当有数据的时候，函数会返回可以被拷贝出去的数据的大小，当没有数据的时候，函数返回0或者负数。调用者拿到返回值后，可以根据返回值分配相应的内存大小，之后再次调用，就可以把之前查询到内容拷贝出来。
三、指针和数组
3.1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。
1.数组里的数据可以单个修改,但指针的不行,如我的例子,char str[] = "hello",数组的大小有6个字符(注意\0),可以通过str[0] = 'X'修改了的个字符,而指针char *p = "Word",p是指向了一串常量的字符串,常量字符串是不可修改的,如 p[0] = 'X',编译器编译时不会保存,但执行时会出错：
2.内容的复制与比较内容的复制要使用strcpy()函数,不要使用赋值符"=",内容的比较也是不要使用比较符号"<,>,==",使用strcmp()函数：
// 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)
3.计算空间的大小对数组的计算是使用sizeof()函数,该函数会按照内存对齐的方式4的倍数计算,而指针的空间大小没法计算,只能记住在申请空间时的空间大小，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,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 }
3.2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。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，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 }
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：
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：
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：
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。
如果把上述示例改写成如下示例，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。
3.3 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。
（3）指针操作超越了变量的作用域范围。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。
四、内存管理方式
4.1C语言动态内存管理方式
malloc/calloc/realloc和free
- malloc：只申请空间，空间内容为随机值，不初始化；
- calloc：申请空间，空间全部初始化为0。
- realloc：重新申请空间，不初始化；
void test() { //malloc只申请空间，空间内容为随机值，不初始化 char* ptr1 = (char*)malloc(sizeof(char)); //调整空间大小 char* ptr2 = (char*)realloc(ptr1, 2 * sizeof(char)); //申请新的空间，功能和malloc相同，不初始化 char* ptr3 = (char*)realloc(NULL, sizeof(char)); //ptr1的空间不能显式释放（会导致二次释放） //只能显式释放realloc返回之后的空间，传入realloc中的指针空间不能显式释放 free(ptr2); free(ptr3); //申请空间+空间全部初始化为0 char* ptr4 = (char*)calloc(4, sizeof(char)); } free(ptr4);
4.2C++内存管理方式
C++内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。
new/delete操作内置类型
- 申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符；
- 申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]。
void test() { //申请和释放的方式保持一致 int* mptr = (int*)malloc(sizeof(int)); free(mptr); //类型指针 指针变量 = new 类型 //类型指针 指针变量 = new 类型（初始值） //类型指针 指针变量 = new 类型（元素个数） int* ptr = new int; delete ptr; //申请空间＋初始化 初始值为10-->4字节 int* ptr2 = new int(10); delete ptr2; //连续空间 包含10个元素-->内容为随机值 int* arr = new int(10); //释放连续空间 delete[] arr; }
new/delete操作自定义类型
- 在申请在定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。
class A { public: A() { cout << "A()" << endl; } A(int a) :_a(a) {} A(int a,int b,int c) :_a(a) {} ~A() { cout << "~A()" << endl; } private: int _a = 10; }; void test() { A* mpa = (A*)malloc(sizeof(A)); free(mpa); cout << "------" << endl; //自定义类型：new：申请空间+调用构造函数进行空间内容的初始化 //类型指针 指针变量 = new 类型 -->调用默认构造函数（无参、全缺省） A* pa1 = new A; //类型指针 指针变量 = new 类型（参数列表）-->调用带参构造 A* pa2 = new A(10); A* pa3 = new A(1, 2, 3); //自定义类型：delete：调用析构完成资源清理+空间释放 delete pa1; delete pa2; delete pa3; //自定义类型：连续空间 //不能使用带参的构造函数进行多个对象的空间申请和初始化 //new[]：申请空间+调用N次构造函数，需要有默认构造 A* arrA = new A[3]; //delete[]: 调用N次析构+空间释放 delete[] arrA; }
operator new与operator delete函数
- 不是运算符重载函数，是系统提供的全局函数；
- new在底层调用operator new全局函数来申请空间；operator new是通过malloc来申请空间的。
- delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间；（封装free，不会抛异常）；operator delete是通过free来释放空间的。
内置类型
void test() { //内置类型 //new: operator new --> malloc int* ptr = new int; //delete: operator delete --> free delete ptr; //new[]: operator new[] --> operator new --> malloc int* ptr2 = new int[]; //delete[]: operator delete[] --> operator delete -->free delete[] ptr2; }
自定义类型
class A { public: A(int a=10) :_a(a) {} private: int _a; }; void test() { //自定义类型 //new：operator new --> malloc -->构造 A* pa = new A; //delete：析构--> operator delete --> free delete pa; //new[]: operator new[] --> operator new --> malloc --> N次构造 A* pa2 = new A[10]; //delete[]: N次析构 --> operator delete[] --> operator delete -->free delete[] pa2; }
4.3new和delete的实现原理
内置类型
- new和malloc，delete和free基本相似；
- 不同点是new / delete申请/释放的是单个元素的空间，new[] / delete[]申请/释放的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常。
自定义类型
new的原理
- 1.调用operator new函数申请空间；
- 2.在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。
delete的原理
- 1.在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作；
- 2.调用operator delete函数释放对象的空间。
new T[N] 的原理
- 1.调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请；
- 2.在申请空间上执行N次构造函数。
delete[]的原理
- 1.在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理；
- 2.调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]调用operator delete来释放空间。
4.4malloc()/free()与new/delete的区别
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,看代码：
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。
五、内存泄漏
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
内存泄漏分类
堆内存泄漏（Heap leak）：若分配的内存没有被释放，以后这部分空间就不能再被使用，就会产生Heap leak。
系统资源泄漏：指程序使用系统分配的资源，没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。
5.1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。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); } }
5.2malloc/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;
在malloc的“()”中使用sizeof运算符是良好的风格，但要当心有时我们会昏了头，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。
5.3new/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
后者有可能引起程序崩溃和内存泄漏。
