C 記憶體管理

程式設計師們經常編寫記憶體管理程式，往往提心吊膽。如果不想觸雷，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。本文的內容比一般教科書的要深入得多，讀者需細心閱讀，做到真正地通曉記憶體管理。

1、記憶體分配方式

記憶體分配方式有三種：

（1）從靜態儲存區域分配。內存在程式編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程式的整個執行期間都存在。例如全域性變數，static變數。

（2）在棧上建立。在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。

（3）從堆上分配，亦稱動態記憶體分配。程式在執行的時候用malloc或new申請任意多少的記憶體，程式設計師自己負責在何時用free或delete釋放記憶體。動態記憶體的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。

2、常見的記憶體錯誤及其對策

發生記憶體錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程式執行時才能捕捉到。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。有時使用者怒氣沖沖地把你找來，程式卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。常見的記憶體錯誤及其對策如下：

* 記憶體分配未成功，卻使用了它。

程式設計新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到記憶體分配會不成功。常用解決辦法是，在使用記憶體之前檢查指標是否為null。如果指標p是函式的引數，那麼在函式的入口處用assert(p!=null)進行

檢查。如果是用malloc或new來申請記憶體，應該用if(p==null) 或if(p!=null)進行防錯處理。

* 記憶體分配雖然成功，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；二是誤以為記憶體的預設初值全為零，導致引用初值錯誤（例如陣列）。記憶體的預設初值究竟是什麼並沒有統一的標準，儘管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式建立陣列，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。

* 記憶體分配成功並且已經初始化，但操作越過了記憶體的邊界。

例如在使用陣列時經常發生下標「多1」或者「少1」的操作。特別是在for迴圈語句中，迴圈次數很容易搞錯，導致陣列操作越界。

* 忘記了釋放記憶體，造成記憶體洩露。

動態記憶體的申請與釋放必須配對，程式中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。

* 釋放了記憶體卻繼續使用它。

有三種情況：

（1）程式中的物件呼叫關係過於複雜，實在難以搞清楚某個物件究竟是否已經釋放了記憶體，此時應該重新設計資料結構，從根本上解決物件管理的混亂局面。

（2）函式的return語句寫錯了，注意不要返回指向「棧記憶體」的「指標」或者「引用」，因為該內存在函式體結束時被自動銷毀。

（3）使用free或delete釋放了記憶體後，沒有將指標設定為null。導致產生「野指標」。

【規則1】用malloc或new申請記憶體之後，應該立即檢查指標值是否為null。防止使用指標值為null的記憶體。

【規則2】不要忘記為陣列和動態記憶體賦初值。防止將未被初始化的記憶體作為右值使用。

【規則3】避免陣列或指標的下標越界，特別要當心發生「多1」或者「少1」操作。

【規則4】動態記憶體的申請與釋放必須配對，防止記憶體洩漏。

【規則5】用free或delete釋放了記憶體之後，立即將指標設定為null，防止產生「野指標」。

3、指標與陣列的對比

c++/c程式中，指標和陣列在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。

陣列要麼在靜態儲存區被建立（如全域性陣列），要麼在棧上被建立。陣列名對應著（而不是指向）一塊記憶體，其位址與容量在生命期內保持不變，只有陣列的內容可以改變。

指標可以隨時指向任意型別的記憶體塊，它的特徵是「可變」，所以我們常用指標來操作動態記憶體。指標遠比陣列靈活，但也更危險。

下面以字串為例比較指標與陣列的特性。

3.1 修改內容

示例3-1中，字元陣列a的容量是6個字元，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= 『x』。指標p指向常量字串「world」（位於靜態儲存區，內容為world），常量字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』有什麼不妥，但是該語句企圖修改常量字串的內容而導致執行錯誤。

char a = 「hello」;

a[0] = 『x』;

cout << a << endl;

char *p = 「world」; // 注意p指向常量字串

p[0] = 『x』; // 編譯器不能發現該錯誤

cout << p << endl;

示例3.1 修改陣列和指標的內容

3.2 內容複製與比較

不能對陣列名進行直接複製與比較。示例7-3-2中，若想把陣列a的內容複製給陣列b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函式strcpy進行複製。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函式strcmp進行比較。

語句p = a 並不能把a的內容複製指標p，而是把a的位址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函式malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字元的記憶體，再用strcpy進行字串複製。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是位址，應該用庫函式strcmp來比較。

// 陣列…

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)

…// 指標…

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3.2 陣列和指標的內容複製與比較

3.3 計算記憶體容量

用運算子sizeof可以計算出陣列的容量（位元組數）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了』』）。指標p指向a，但是 sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是乙個指標變數的位元組數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的記憶體容量。 c++/c語言沒有辦法知道指標所指的記憶體容量，除非在申請記憶體時記住它。

注意當陣列作為函式的引數進行傳遞時，該陣列自動退化為同型別的指標。示例7-3-3（b）中，不論陣列a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。

char a = "hello world";

char *p = a;

cout<< sizeof(a) << endl; // 12位元組

cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組

示例3.3（a）計算陣列和指標的記憶體容量

void func(char a[100])

示例3.3（b）陣列退化為指標

4、指標引數是如何傳遞記憶體的？

如果函式的引數是乙個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。示例7-4-1中，test函式的語句getmemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的記憶體，str依舊是null，為什麼？

void getmemory(char *p, int num)

void test(void)

示例4.1 試圖用指標引數申請動態記憶體

毛病出在函式getmemory中。編譯器總是要為函式的每個引數製作臨時副本，指標引數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函式體內的程式修改了_p的內容，就導致引數p的內容作相應的修改。這就是指標可以用作輸出引數的原因。在本例中，_p申請了新的記憶體，只是把 _p所指的記憶體位址改變了，但是p絲毫未變。所以函式getmemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次getmemory就會洩露一塊記憶體，因為沒有用free釋放記憶體。

如果非得要用指標引數去申請記憶體，那麼應該改用「指向指標的指標」，見示例4.2。

void getmemory2(char **p, int num)

void test2(void)

示例4.2用指向指標的指標申請動態記憶體

由於「指向指標的指標」這個概念不容易理解，我們可以用函式返回值來傳遞動態記憶體。這種方法更加簡單，見示例4.3。

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