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C++基础(8)指针与内存管理

Posted on 2012-07-14 14:39 linzheng 阅读(285) 评论(0)  编辑 收藏 引用
指针与内存管理

 

    利用指针你可以将数据写入内存中的任意位置,但是,一旦你的程序中有一个野指针("wildpointer),即指向一个错误位置的指针,你的数据就危险了—存放在堆中的数据可能会被破坏,用来管理堆的数据结构也可能会被破坏,甚至操作系统的数据也可能会被修改,有时,上述三种破坏情况会同时发生。所以合理的正确的分配指针的地址是非常重要的。

 

1.3.1内存分配的方式

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mallocnew申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用freedelete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,以下我们重点讲解动态内存分配。

1.3.2 malloc/free 的使用要点

 mallocfreeC/C++语言的标准库函数,它用于申请动态内存和释放内存。

函数malloc的原型如下:

void * malloc(size_t size);

malloc申请一块长度为length的整数类型的内存,程序如下:

int *ip = (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函数返回值的类型是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。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。这个你可以用sizeof(类型)去测试。

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 ip = malloc(sizeof(ip))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pNULL指针,那么freep无论操作多少次都不会出问题。如果p不是NULL指针,那么freep连续操作两次就会导致程序运行错误。

1.3.3 new/delete 的使用要点

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,只是C++的运算符。我们来看如下例子就知道怎么回事了。

class Object

{

 public :

  Object(void){std::cout << “Initialization”<< std::endl; }

  ~Object(void){std::cout << “Destroy”<< std::endl; }

  void Initialize(void){std:: cout << “Initialization”<< std::endl; }

  void Destroy(void){ std::cout << “Destroy”<< std::endl; }

}

void UseMallocFree(void)

{

 Object *ip = (Object *)malloc(sizeof(Object));    // 申请动态内存

 ip->Initialize();                             // 初始化

 //

 ip->Destroy();                              // 清除工作

 free(ip);                                   // 释放内存

}

void UseNewDelete(void)

{

 Object *ip = new Object;                     // 申请动态内存并且初始化

 //

 Delete ip;                                  // 清除并且释放内存

}

          malloc/freenew/delete如何实现对象的动态内存管理

Object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InitializeDestroy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/freenew/delete是等价的。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。

new/delete 常使用的方法如下:

typeof *ip = new typeof[length];

/结构 *ip = new 类结构;

一般释放如下:delete ip;

数组的释放如下:delete [] ip;

1.3.4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,mallocnew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)

 {

  std::cout << Memory Exhausted << std::endl;

  exit(1);

 }

 …

}

3)为newmalloc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。

 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mallocnew,几乎不可能导致“内存耗尽”。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。

1.3. 5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”的原因主要有如下几种:

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 *ip = NULL;

char *ip = new char;

2)指针ipfree或者delete之后,没有置为NULL,让人误以为ip是个合法的指针。

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){ std::cout << Func of class A << std::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”。但奇怪的是有些编译器运行这个程序时居然没有出错,这可能与编译器有关。

1.3.6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。见如下例子:

void GetMemory(char *ip, int num)

{

 ip = (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

}

      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ip的副本是 _ip,编译器使 _ip = ip。如果函数体内的程序修改了_ip的内容,就导致参数ip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,_ip申请了新的内存,只是把_ip所指的内存地址改变了,但是ip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”,见如下示例:

void GetMemory(char **p, int num)

{

 *ip = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

}

void Test(void)

{

 char *str = NULL;

 GetMemory(&str, 100); // 注意参数是 &str,而不是str

 strcpy(str, "hello");

 std::cout<< str << std::endl;

 free(str);

}

      用指向指针的指针申请动态内存

 当然,我们也可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单,见如下示例:

char *GetMemory(int num)

{

 char *ip = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

 return ip;

}

void Test(void)

{

 char *str = NULL;

 str = GetMemory(100);

 strcpy(str, "hello");

 std::cout<< str << std::endl;

 free(str);

}

       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,见如下示例:

char *GetString(void)

{

 char p[] = "hello world";

 return p; // 编译器将提出警告

}

void Test(void)

{

 char *str = NULL;

 str = GetString(); // str 的内容是垃圾

 std::cout<< str << std::endl;

}

     return语句返回指向“栈内存”的指针


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