C++内存管理

简介: 内存管理是C++最令人切齿痛恨的问题,也是C++最有争议的问题,C++高手从中获得了更好的性能,更大的自由,C++菜鸟的收获则是一遍一遍的检查代码和对C++的痛恨,但内存管理在C++中无处不在,内存泄漏几乎在每个C++程序中都会发生,因此要想成为C++高手,内存管理一关是必须要过的,除非放弃C++,转到Java或者.NET,他们的内存管理基本是自动的,当然你也放弃了自由和对内存的支配权,还放弃了C++超绝的性能。
内存管理是C++最令人切齿痛恨的问题,也是C++最有争议的问题,C++高手从中获得了更好的性能,更大的自由,C++菜鸟的收获则是一遍一遍的检查代码和对C++的痛恨,但内存管理在C++中无处不在,内存泄漏几乎在每个C++程序中都会发生,因此要想成为C++高手,内存管理一关是必须要过的,除非放弃C++,转到Java或者.NET,他们的内存管理基本是自动的,当然你也放弃了自由和对内存的支配权,还放弃了C++超绝的性能。本期专题将从内存管理、内存泄漏、内存回收这三个方面来探讨C++内存管理问题。
内存管理伟大的Bill Gates 曾经失言:

640K ought to be enough for everybody  Bill Gates 1981 
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。本文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。
1.1 C++内存管理详解1.1.1 内存分配方式1.1.1.1 分配方式简介  在C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。
  栈,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。
  堆,就是那些由new分配的内存块,他们的释放编译器不去管,由我们的应用程序去控制,一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉,那么在程序结束后,操作系统会自动回收。
  自由存储区,就是那些由malloc等分配的内存块,他和堆是十分相似的,不过它是用free来结束自己的生命的。
  全局/静态存储区,全局变量和静态变量被分配到同一块内存中,在以前的C语言中,全局变量又分为初始化的和未初始化的,在C++里面没有这个区分了,他们共同占用同一块内存区。
  常量存储区,这是一块比较特殊的存储区,他们里面存放的是常量,不允许修改。
1.1.1.2 明确区分堆与栈  在bbs上,堆与栈的区分问题,似乎是一个永恒的话题,由此可见,初学者对此往往是混淆不清的,所以我决定拿他第一个开刀。
  首先,我们举一个例子:
void f() { int* p=new int[5]; } 
  这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new ,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p 呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p 。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new 分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中,他在VC6 下的汇编代码如下:
00401028 push 14h 
0040102A call operator new (00401060) 
0040102F add esp,4 
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax 
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8] 
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax 
  这里,我们为了简单并没有释放内存,那么该怎么去释放呢?是delete p 么?澳,错了,应该是delete []p ,这是为了告诉编译器:我删除的是一个数组,VC6 就会根据相应的Cookie 信息去进行释放内存的工作。
1.1.1.3  堆和栈究竟有什么区别?   好了,我们回到我们的主题:堆和栈究竟有什么区别?
  主要的区别由以下几点:

1 、管理方式不同;

2 、空间大小不同;

3 、能否产生碎片不同;

4 、生长方向不同;

5 、分配方式不同;

6 、分配效率不同;
  管理方式:对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak
  空间大小:一般来讲在32 位系统下,堆内存可以达到4G 的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6 下面,默认的栈空间大小是1M (好像是,记不清楚了)。当然,我们可以修改:
  打开工程,依次操作菜单如下:Project->Setting->Link ,在Category  中选中Output ,然后在Reserve 中设定堆栈的最大值和commit
  注意:reserve 最小值为4Byte commit 是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。
  碎片问题:对于堆来讲,频繁的new/delete 势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。
  生长方向:对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。
  分配方式:堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。栈有2 种分配方式:静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。动态分配由alloca 函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。
  分配效率:栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++ 函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/ 操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。显然,堆的效率比栈要低得多。
  从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete 的使用,容易造成大量的内存碎片;由于没有专门的系统支持,效率很低;由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。
  虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。
无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果, 就算是在你的程序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug 可是相当困难的:)
1.1.2  控制C++ 的内存分配   在嵌入式系统中使用C++ 的一个常见问题是内存分配,即对new   delete  操作符的失控。
  具有讽刺意味的是,问题的根源却是C++ 对内存的管理非常的容易而且安全。具体地说,当一个对象被消除时,它的析构函数能够安全的释放所分配的内存。
  这当然是个好事情,但是这种使用的简单性使得程序员们过度使用new   delete ,而不注意在嵌入式C++ 环境中的因果关系。并且,在嵌入式系统中,由于内存的限制,频繁的动态分配不定大小的内存会引起很大的问题以及堆破碎的风险。
  作为忠告,保守的使用内存分配是嵌入式环境中的第一原则。
  但当你必须要使用new  delete 时,你不得不控制C++ 中的内存分配。你需要用一个全局的new  delete 来代替系统的内存分配符,并且一个类一个类的重载new  delete
  一个防止堆破碎的通用方法是从不同固定大小的内存持中分配不同类型的对象。对每个类重载new  delete 就提供了这样的控制。
1.1.2.1  重载全局的new delete 操作符   可以很容易地重载new   delete  操作符,如下所示:
void * operator new(size_t size)
{
void *p = malloc(size);
return (p);
}
void operator delete(void *p);
{
free(p);

  这段代码可以代替默认的操作符来满足内存分配的请求。出于解释C++ 的目的,我们也可以直接调用malloc() free()
  也可以对单个类的new   delete  操作符重载。这是你能灵活的控制对象的内存分配。
class TestClass {
public:
void * operator new(size_t size);
void operator delete(void *p);
// .. other members here ...
};
void *TestClass::operator new(size_t size)
{
void *p = malloc(size); // Replace this with alternative allocator
return (p);
}
void TestClass::operator delete(void *p)
{
free(p); // Replace this with alternative de-allocator

  所有TestClass  对象的内存分配都采用这段代码。更进一步,任何从TestClass  继承的类也都采用这一方式,除非它自己也重载了new   delete  操作符。通过重载new   delete  操作符的方法,你可以自由地采用不同的分配策略,从不同的内存池中分配不同的类对象。
1.1.2.2  为单个的类重载 new[ ] delete[ ]   必须小心对象数组的分配。你可能希望调用到被你重载过的new   delete  操作符,但并不如此。内存的请求被定向到全局的new[ ] delete[ ]  操作符,而这些内存来自于系统堆。

C++ 将对象数组的内存分配作为一个单独的操作,而不同于单个对象的内存分配。为了改变这种方式,你同样需要重载new[ ]   delete[ ] 操作符。
class TestClass {
public:
void * operator new[ ](size_t size);
void operator delete[ ](void *p);
// .. other members here ..
};
void *TestClass::operator new[ ](size_t size)
{
void *p = malloc(size);
return (p);
}
void TestClass::operator delete[ ](void *p)
{
free(p);
}
int main(void)
{
TestClass *p = new TestClass[10];
// ... etc ...
delete[ ] p;

但是注意:对于多数C++ 的实现,new[] 操作符中的个数参数是数组的大小加上额外的存储对象数目的一些字节。在你的内存分配机制重要考虑的这一点。你应该尽量避免分配对象数组,从而使你的内存分配策略简单。
1.1.3  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:

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 new 来申请内存,应该用if(p==NULL)  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)。  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。

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 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 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 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 delete 释放了内存之后,立即将指针设置为NULL ,防止产生“野指针”。
1.1.4  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。
1.1.4.1  修改内容 下面示例中,字符数组a 的容量是6 个字符,其内容为hello 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 ),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。
char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout 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
1.1.4.2  内容复制与比较   不能对数组名进行直接复制与比较。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 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 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…
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)

1.1.4.3  计算内存容量 用运算符sizeof 可以计算出数组的容量(字节数)。如下示例中,sizeof(a) 的值是12 (注意别忘了’’)。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字节
cout字节


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。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字节而不是100字节
}
1.1.5  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
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
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}
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}
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。
1.1.6  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 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 };
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。
1.1.7  有了malloc/free 为什么还要new/delete
malloc free C++/C 语言的标准库函数,new/delete 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 new/delete 如何实现对象的动态内存管理,见示例:
class Obj
{

public :

Obj(void){ cout “Initialization 
~Obj(void){ cout “Destroy 
void Initialize(void){ cout “Initialization 
void Destroy(void){ cout “Destroy };
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 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 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”,结果也会导致程序出错,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。
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