C 內(nèi)存管理（建議收藏）
[導(dǎo)讀]內(nèi)存管理是C最令人切齒痛恨的問題，也是C最有爭議的問題，C高手從中獲得了更好的性能，更大的自由，C菜鳥的收獲則是一遍一遍的檢查代碼和對C的痛恨，但內(nèi)存管理在C中無處不在，內(nèi)存泄漏幾乎在每個C程序中都會發(fā)生，因此要想成為C高手，內(nèi)存管理一關(guān)是必須要過的，除非放棄C，轉(zhuǎn)到Java或者...
1. 內(nèi)存管理
偉大的Bill Gates 曾經(jīng)失言：640K ought to be enough for everybody?—?Bill Gates 1981程序員們經(jīng)常編寫內(nèi)存管理程序，往往提心吊膽。如果不想觸雷，唯一的解決辦法就是發(fā)現(xiàn)所有潛伏的地雷并且排除它們，躲是躲不了的。本文的內(nèi)容比一般教科書的要深入得多，讀者需細(xì)心閱讀，做到真正地通曉內(nèi)存管理。1.1 C 內(nèi)存管理詳解
1.1.1 內(nèi)存分配方式
1.1.1.1?分配方式簡介
在C 中，內(nèi)存分成5個區(qū)，他們分別是棧、堆、自由存儲區(qū)、全局/靜態(tài)存儲區(qū)和常量存儲區(qū)。棧，在執(zhí)行函數(shù)時，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。堆，就是那些由new分配的內(nèi)存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應(yīng)用程序去控制，一般一個new就要對應(yīng)一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程序結(jié)束后，操作系統(tǒng)會自動回收。自由存儲區(qū)，就是那些由malloc等分配的內(nèi)存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結(jié)束自己的生命的。全局/靜態(tài)存儲區(qū)，全局變量和靜態(tài)變量被分配到同一塊內(nèi)存中，在以前的C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C 里面沒有這個區(qū)分了，他們共同占用同一塊內(nèi)存區(qū)。常量存儲區(qū)，這是一塊比較特殊的存儲區(qū)，他們里面存放的是常量，不允許修改。1.1.1.2?明確區(qū)分堆與棧
在bbs上，堆與棧的區(qū)分問題，似乎是一個永恒的話題，由此可見，初學(xué)者對此往往是混淆不清的，所以我決定拿他第一個開刀。首先，我們舉一個例子：void f() { int* p=new int[5]; }這條短短的一句話就包含了堆與棧，看到new，我們首先就應(yīng)該想到，我們分配了一塊堆內(nèi)存，那么指針p呢？他分配的是一塊棧內(nèi)存，所以這句話的意思就是：在棧內(nèi)存中存放了一個指向一塊堆內(nèi)存的指針p。在程序會先確定在堆中分配內(nèi)存的大小，然后調(diào)用operator new分配內(nèi)存，然后返回這塊內(nèi)存的首地址，放入棧中，他在VC下的匯編代碼如下：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這里，我們?yōu)榱撕唵尾]有釋放內(nèi)存，那么該怎么去釋放呢？是delete p么？澳，錯了，應(yīng)該是delete []p，這是為了告訴編譯器：我刪除的是一個數(shù)組，VC就會根據(jù)相應(yīng)的Cookie信息去進(jìn)行釋放內(nèi)存的工作。1.1.1.3 堆和棧究竟有什么區(qū)別？
好了，我們回到我們的主題：堆和棧究竟有什么區(qū)別？主要的區(qū)別由以下幾點：1、管理方式不同；2、空間大小不同；3、能否產(chǎn)生碎片不同；4、生長方向不同；5、分配方式不同；6、分配效率不同；管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產(chǎn)生memory leak。空間大?。阂话銇碇v在32位系統(tǒng)下，堆內(nèi)存可以達(dá)到4G的空間，從這個角度來看堆內(nèi)存幾乎是沒有什么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC下面，默認(rèn)的?？臻g大小是1M（好像是，記不清楚了）。當(dāng)然，我們可以修改：打開工程，依次操作菜單如下：Project->Setting->Link，在Category 中選中Output，然后在Reserve中設(shè)定堆棧的最大值和commit。注意：reserve最小值為4Byte；commit是保留在虛擬內(nèi)存的頁文件里面，它設(shè)置的較大會使棧開辟較大的值，可能增加內(nèi)存的開銷和啟動時間。碎片問題：對于堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內(nèi)存空間的不連續(xù)，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對于棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進(jìn)后出的隊列，他們是如此的一一對應(yīng)，以至于永遠(yuǎn)都不可能有一個內(nèi)存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的后進(jìn)的棧內(nèi)容已經(jīng)被彈出，詳細(xì)的可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里我們就不再一一討論了。生長方向：對于堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內(nèi)存地址增加的方向；對于棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內(nèi)存地址減小的方向增長。分配方式：堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態(tài)分配由alloca函數(shù)進(jìn)行分配，但是棧的動態(tài)分配和堆是不同的，他的動態(tài)分配是由編譯器進(jìn)行釋放，無需我們手工實現(xiàn)。分配效率：棧是機器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執(zhí)行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C 函數(shù)庫提供的，它的機制是很復(fù)雜的，例如為了分配一塊內(nèi)存，庫函數(shù)會按照一定的算法（具體的算法可以參考數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/操作系統(tǒng)）在堆內(nèi)存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由于內(nèi)存碎片太多），就有可能調(diào)用系統(tǒng)功能去增加程序數(shù)據(jù)段的內(nèi)存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內(nèi)存，然后進(jìn)行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。從這里我們可以看到，堆和棧相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的內(nèi)存碎片；由于沒有專門的系統(tǒng)支持，效率很低；由于可能引發(fā)用戶態(tài)和核心態(tài)的切換，內(nèi)存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應(yīng)用最廣泛的，就算是函數(shù)的調(diào)用也利用棧去完成，函數(shù)調(diào)用過程中的參數(shù)，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，我們推薦大家盡量用棧，而不是用堆。雖然棧有如此眾多的好處，但是由于和堆相比不是那么靈活，有時候分配大量的內(nèi)存空間，還是用堆好一些。無論是堆還是棧，都要防止越界現(xiàn)象的發(fā)生（除非你是故意使其越界），因為越界的結(jié)果要么是程序崩潰，要么是摧毀程序的堆、棧結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生以想不到的結(jié)果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發(fā)生上面的問題，你還是要小心，說不定什么時候就崩掉，那時候debug可是相當(dāng)困難的：）1.1.2 控制C 的內(nèi)存分配
在嵌入式系統(tǒng)中使用C 的一個常見問題是內(nèi)存分配，即對new 和 delete 操作符的失控。具有諷刺意味的是，問題的根源卻是C 對內(nèi)存的管理非常的容易而且安全。具體地說，當(dāng)一個對象被消除時，它的析構(gòu)函數(shù)能夠安全的釋放所分配的內(nèi)存。這當(dāng)然是個好事情，但是這種使用的簡單性使得程序員們過度使用new 和 delete，而不注意在嵌入式C 環(huán)境中的因果關(guān)系。并且，在嵌入式系統(tǒng)中，由于內(nèi)存的限制，頻繁的動態(tài)分配不定大小的內(nèi)存會引起很大的問題以及堆破碎的風(fēng)險。作為忠告，保守的使用內(nèi)存分配是嵌入式環(huán)境中的第一原則。但當(dāng)你必須要使用new 和delete時，你不得不控制C 中的內(nèi)存分配。你需要用一個全局的new 和delete來代替系統(tǒng)的內(nèi)存分配符，并且一個類一個類的重載new 和delete。一個防止堆破碎的通用方法是從不同固定大小的內(nèi)存持中分配不同類型的對象。對每個類重載new 和delete就提供了這樣的控制。1.1.2.1?重載全局的new和delete操作符
可以很容易地重載new?和?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);
}這段代碼可以代替默認(rèn)的操作符來滿足內(nèi)存分配的請求。出于解釋C 的目的，我們也可以直接調(diào)用malloc()?和free()。也可以對單個類的new 和 delete 操作符重載。這是你能靈活的控制對象的內(nèi)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 對象的內(nèi)存分配都采用這段代碼。更進(jìn)一步，任何從TestClass 繼承的類也都采用這一方式，除非它自己也重載了new 和 delete 操作符。通過重載new 和 delete 操作符的方法，你可以自由地采用不同的分配策略，從不同的內(nèi)存池中分配不同的類對象。1.1.2.2?為單個的類重載?new[ ]和delete[ ]
必須小心對象數(shù)組的分配。你可能希望調(diào)用到被你重載過的new 和 delete 操作符，但并不如此。內(nèi)存的請求被定向到全局的new[ ]和delete[ ]?操作符，而這些內(nèi)存來自于系統(tǒng)堆。C 將對象數(shù)組的內(nèi)存分配作為一個單獨的操作，而不同于單個對象的內(nèi)存分配。為了改變這種方式，你同樣需要重載new[ ]?和 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：對于多數(shù)C 的實現(xiàn)，new[]操作符中的個數(shù)參數(shù)是數(shù)組的大小加上額外的存儲對象數(shù)目的一些字節(jié)。在你的內(nèi)存分配機制重要考慮的這一點。你應(yīng)該盡量避免分配對象數(shù)組，從而使你的內(nèi)存分配策略簡單。1.1.3 常見的內(nèi)存錯誤及其對策
發(fā)生內(nèi)存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發(fā)現(xiàn)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癥狀，時隱時現(xiàn)，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(fā)生任何問題，你一走，錯誤又發(fā)作了。?常見的內(nèi)存錯誤及其對策如下：*?內(nèi)存分配未成功，卻使用了它。編程新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到內(nèi)存分配會不成功。常用解決辦法是，在使用內(nèi)存之前檢查指針是否為NULL。如果指針p是函數(shù)的參數(shù)，那么在函數(shù)的入口處用assert(p!=NULL)進(jìn)行檢查。如果是用malloc或new來申請內(nèi)存，應(yīng)該用if(p==NULL)?或if(p!=NULL)進(jìn)行防錯處理。*?內(nèi)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；二是誤以為內(nèi)存的缺省初值全為零，導(dǎo)致引用初值錯誤（例如數(shù)組）。?內(nèi)存的缺省初值究竟是什么并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，盡管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創(chuàng)建數(shù)組，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。*?內(nèi)存分配成功并且已經(jīng)初始化，但操作越過了內(nèi)存的邊界。例如在使用數(shù)組時經(jīng)常發(fā)生下標(biāo)“多1”或者“少1”的操作。特別是在for循環(huán)語句中，循環(huán)次數(shù)很容易搞錯，導(dǎo)致數(shù)組操作越界。*?忘記了釋放內(nèi)存，造成內(nèi)存泄露。含有這種錯誤的函數(shù)每被調(diào)用一次就丟失一塊內(nèi)存。剛開始時系統(tǒng)的內(nèi)存充足，你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉，系統(tǒng)出現(xiàn)提示：內(nèi)存耗盡。動態(tài)內(nèi)存的申請與釋放必須配對，程序中malloc與free的使用次數(shù)一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。*?釋放了內(nèi)存卻繼續(xù)使用它。有三種情況：（1）程序中的對象調(diào)用關(guān)系過于復(fù)雜，實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經(jīng)釋放了內(nèi)存，此時應(yīng)該重新設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從根本上解決對象管理的混亂局面。（2）函數(shù)的return語句寫錯了，注意不要返回指向“棧內(nèi)存”的“指針”或者“引用”，因為該內(nèi)存在函數(shù)體結(jié)束時被自動銷毀。（3）使用free或delete釋放了內(nèi)存后，沒有將指針設(shè)置為NULL。導(dǎo)致產(chǎn)生“野指針”。【規(guī)則1】用malloc或new申請內(nèi)存之后，應(yīng)該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內(nèi)存。【規(guī)則2】不要忘記為數(shù)組和動態(tài)內(nèi)存賦初值。防止將未被初始化的內(nèi)存作為右值使用。【規(guī)則3】避免數(shù)組或指針的下標(biāo)越界，特別要當(dāng)心發(fā)生“多1”或者“少1”操作。【規(guī)則4】動態(tài)內(nèi)存的申請與釋放必須配對，防止內(nèi)存泄漏。【規(guī)則5】用free或delete釋放了內(nèi)存之后，立即將指針設(shè)置為NULL，防止產(chǎn)生“野指針”。1.1.4 指針與數(shù)組的對比
C /C程序中，指針和數(shù)組在不少地方可以相互替換著用，讓人產(chǎn)生一種錯覺，以為兩者是等價的。數(shù)組要么在靜態(tài)存儲區(qū)被創(chuàng)建（如全局?jǐn)?shù)組），要么在棧上被創(chuàng)建。數(shù)組名對應(yīng)著（而不是指向）一塊內(nèi)存，其地址與容量在生命期內(nèi)保持不變，只有數(shù)組的內(nèi)容可以改變。指針可以隨時指向任意類型的內(nèi)存塊，它的特征是“可變”，所以我們常用指針來操作動態(tài)內(nèi)存。指針遠(yuǎn)比數(shù)組靈活，但也更危險。下面以字符串為例比較指針與數(shù)組的特性。1.1.4.1?修改內(nèi)容
下面示例中，字符數(shù)組a的容量是6個字符，其內(nèi)容為hello。a的內(nèi)容可以改變，如a[0]=?‘X’。指針p指向常量字符串“world”（位于靜態(tài)存儲區(qū)，內(nèi)容為world），常量字符串的內(nèi)容是不可以被修改的。從語法上看，編譯器并不覺得語句p[0]=?‘X’有什么不妥，但是該語句企圖修改常量字符串的內(nèi)容而導(dǎo)致運行錯誤。char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串
p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發(fā)現(xiàn)該錯誤
cout << p << endl;1.1.4.2?內(nèi)容復(fù)制與比較
不能對數(shù)組名進(jìn)行直接復(fù)制與比較。若想把數(shù)組a的內(nèi)容復(fù)制給數(shù)組b，不能用語句 b = a ，否則將產(chǎn)生編譯錯誤。應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)strcpy進(jìn)行復(fù)制。同理，比較b和a的內(nèi)容是否相同，不能用if(b==a)?來判斷，應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)strcmp進(jìn)行比較。語句p = a 并不能把a的內(nèi)容復(fù)制指針p，而是把a的地址賦給了p。要想復(fù)制a的內(nèi)容，可以先用庫函數(shù)malloc為p申請一塊容量為strlen(a) 1個字符的內(nèi)存，再用strcpy進(jìn)行字符串復(fù)制。同理，語句if(p==a)?比較的不是內(nèi)容而是地址，應(yīng)該用庫函數(shù)strcmp來比較。// 數(shù)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)
…1.1.4.3?計算內(nèi)存容量
用運算符sizeof可以計算出數(shù)組的容量（字節(jié)數(shù)）。如下示例中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指針p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節(jié)數(shù)，相當(dāng)于sizeof(char*)，而不是p所指的內(nèi)存容量。C /C語言沒有辦法知道指針?biāo)傅膬?nèi)存容量，除非在申請內(nèi)存時記住它。char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節(jié)
cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節(jié)注意當(dāng)數(shù)組作為函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行傳遞時，該數(shù)組自動退化為同類型的指針。如下示例中，不論數(shù)組a的容量是多少，sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節(jié)而不是100字節(jié)
}1.1.5 指針參數(shù)是如何傳遞內(nèi)存的？
如果函數(shù)的參數(shù)是一個指針，不要指望用該指針去申請動態(tài)內(nèi)存。如下示例中，Test函數(shù)的語句GetMemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內(nèi)存，str依舊是NULL，為什么？void GetMemory(char *p, int num)
{
p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL
strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤
}毛病出在函數(shù)GetMemory中。編譯器總是要為函數(shù)的每個參數(shù)制作臨時副本，指針參數(shù)p的副本是?_p，編譯器使?_p = p。如果函數(shù)體內(nèi)的程序修改了_p的內(nèi)容，就導(dǎo)致參數(shù)p的內(nèi)容作相應(yīng)的修改。這就是指針可以用作輸出參數(shù)的原因。在本例中，_p申請了新的內(nèi)存，只是把_p所指的內(nèi)存地址改變了，但是p絲毫未變。所以函數(shù)GetMemory并不能輸出任何東西。事實上，每執(zhí)行一次GetMemory就會泄露一塊內(nèi)存，因為沒有用free釋放內(nèi)存。如果非得要用指針參數(shù)去申請內(nèi)存，那么應(yīng)該改用“指向指針的指針”，見示例：void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory2( 
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