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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C#，他們的內(nèi)存管理基本是自動的，當(dāng)然你也放棄了自由和對內(nèi)存的支配權(quán)，還放棄了C 超絕的性能。本期專題將從內(nèi)存管理、內(nèi)存泄漏、內(nèi)存回收這三個方面來探討C 內(nèi)存管理問題。

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。

空間大小：一般來講在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)的棧空間大小是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?<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?<

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<cout<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<

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(