今天给大家分享C高级编程精华片之内存管理——欢迎跟大家一起踏进内存这片雷区，然后带大家从雷区中走出来！
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。本章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。
7.1 内存分配方式
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 malloc 或 new 申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用 free 或 delete 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。
7.2 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 或 new 来申请内存，应该用 if(p==NULL)或 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 与 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 或 delete 释放了内存后，没有将指针设置为 NULL。导致产生“野指针”。
z 【规则 7-2-1】用 malloc 或 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。
z 【规则 7-2-2】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。
z 【规则 7-2-3】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。
z 【规则 7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
z 【规则 7-2-5】用 free 或 delete 释放了内存之后，立即将指针设置为 NULL，防止产生“野指针”。
7.3 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。
7.3.1 修改内容
示例 7-3-1 中，字符数组 a 的容量是 6 个字符，其内容为 hello0。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 world0)，
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。
7.3.2 内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。示例 7-3-2 中，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 和 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 为 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。
7.3.3 计算内存容量
用运算符 sizeof 可以计算出数组的容量(字节数)。示例 7-3-3(a)中，sizeof(a)
的值是 12(注意别忘了’0’)。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。
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。示例
7-3-3(b)中，不论数组 a 的容量是多少，sizeof(a)始终等于 sizeof(char *)。
7.4 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。示例 7-4-1 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？
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 7-4-2。
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 7-4-3。
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 7-4-4。
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。
7.5 free 和 delete 把指针怎么啦？
别看 free 和 delete 的名字恶狠狠的(尤其是 delete)，它们只是把指针所指的内存给
释放掉，但并没有把指针本身干掉。
用调试器跟踪示例 7-5，发现指针 p 被 free 以后其地址仍然不变(非 NULL)，只是
该地址对应的内存是垃圾，p 成了“野指针”。如果此时不把 p 设置为 NULL，会让人误
以为 p 是个合法的指针。
如果程序比较长，我们有时记不住 p 所指的内存是否已经被释放，在继续使用 p 之
前，通常会用语句 if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾，此时 if 语句起不到防错作
用，因为即便 p 不是 NULL 指针，它也不指向合法的内存块。
7.6 动态内存会被自动释放吗？
函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例 7-6 是正确的。理
由是 p 是局部的指针变量，它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉！
我们发现指针有一些“似是而非”的特征：
(1)指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。
(2)内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了 NULL 指针。
这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气，一定要找出可以草率行事的理由：
如果程序终止了运行，一切指针都会消亡，动态内存会被操作系统回收。既然如此，在程序临终前，就可以不必释放内存、不必将指针设置为 NULL 了。终于可以偷懒而不
会发生错误了吧？
想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办？
7.7 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 被 free 或者 delete 之后，没有置为 NULL，让人误以为 p 是个合法的指针。
参见 7.5 节。
(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){ cout << “Func of class A” << 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”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错，这可能与编译器有关。
7.8 有了 malloc/free 为什么还要 new/delete ？
malloc 与 free 是 C++/C 语言的标准库函数，new/delete 是 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 和 new/delete 如何实现对象的动态内存管理，见示例 7-8。
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 和 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 和
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”，理论上讲程序不会出错，
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。
7.9 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，malloc 和 new 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)
{
cout << “Memory Exhausted” << endl;
exit(1);
}
…
}
(3)为 new 和 malloc 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。
上述(1)(2)方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存，那么方式(1)就显得力不从心(释放内存很麻烦)，应该用方式(2)来处理。
很多人不忍心用 exit(1)，问：“不编写出错处理程序，让操作系统自己解决行不行？”
不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情，一般说来应用程序已经无药可救。如果
不用 exit(1) 把坏程序杀死，它可能会害死操作系统。道理如同：如果不把歹徒击毙，
歹徒在老死之前会犯下更多的罪。
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
malloc 与 new，几乎不可能导致“内存耗尽”。我在 Windows 98 下用 Visual C++编写了
测试程序，见示例 7-9。这个程序会无休止地运行下去，根本不会终止。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。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响，
Window 98 已经累得对键盘、鼠标毫无反应。
我可以得出这么一个结论：对于 32 位以上的应用程序，“内存耗尽”错误处理程序
毫无用处。这下可把 Unix 和 Windows 程序员们乐坏了：反正错误处理程序不起作用，
我就不写了，省了很多麻烦。
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。
7.10 malloc/free 的使用要点
函数 malloc 的原型如下：
void * malloc(size_t size);
用 malloc 申请一块长度为 length 的整数类型的内存，程序如下：
int *p = (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 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。我
们通常记不住 int, float 等数据类型的变量的确切字节数。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。最好用以下程序作一次测试：
cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;
在 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 p = malloc(sizeof(p))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 p 是 NULL 指针，
那么 free 对 p 无论操作多少次都不会出问题。如果 p 不是 NULL 指针，那么 free 对 p
连续操作两次就会导致程序运行错误。
7.11 new/delete 的使用要点
运算符 new 使用起来要比函数 malloc 简单得多，例如：
int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
这是因为 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。如果对象有多个构造函数，
那么 new 的语句也可以有多种形式。例如
class Obj
{
public :
Obj(void); // 无参数的构造函数
Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
…
}
void Test(void)
{
Obj *a = new Obj;
Obj *b = new Obj(1); // 初值为 1
…
delete a;
delete b;
}
如果用 new 创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建 100 个动态对象
不能写成
Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建 100 个动态对象的同时赋初值 1
在用 delete 释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如
delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法
后者相当于 delete objects[0]，漏掉了另外 99 个对象。
7.12 一些心得体会
我认识不少技术不错的 C++/C 程序员，很少有人能拍拍胸脯说通晓指针与内存管理(包括我自己)。我最初学习 C 语言时特别怕指针，导致我开发第一个应用软件(约 1万行 C 代码)时没有使用一个指针，全用数组来顶替指针，实在蠢笨得过分。躲避指针不是办法，后来我改写了这个软件，代码量缩小到原先的一半。
我的经验教训是：
(1)越是怕指针，就越要使用指针。不会正确使用指针，肯定算不上是合格的程序员。
(2)必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯，只有这样才能发现问题的本质。
