C与C++内存管理避坑指南

蔚落 2022-11-01 01:39 201阅读 0赞

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## 1 引言 ##

对于计算机程序处理而言，对内存的管理就像是对一片雷区的管理，管理的好，可以杀死一片一片的bug，管理的不好，将使你自己抓狂，程序漏洞百出，直至崩溃，据调查80%的程序崩溃都是内存的管理出现问题，有时候表面没有问题，运行一段时间后问题就爆发了，所以对内存的管理非常重要，这里和大家一起总结讨论下C/C++中关于内存管理的一些要点。

## 2 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。

## 3 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，是不是要抓狂？？项目开发时，客户和项目一个劲的催，早点上线，来不及充分测试，初步测试没问题就上线，运行一段时间就各种小bug，自己调试问题一下又找不到是不是很郁闷！！

常见的内存错误及其对策如下：

（1）内存分配未成功，却使用了它。

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。

（2）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。

int * p = NULL;
    p = (int*)malloc(sizeof(int));
    if (p == NULL)
    { 
    /*...*/
    }
    /*初始化为0*/
    memset(p, 0, sizeof(int));

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。

（3）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，数组访问越界在运行时，它的表现是不定的，有时似乎什么事也没有，程序一直运行（当然，某些错误结果已造成）；有时，则是程序一下子崩溃。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。

char *ptr = (char *)malloc(10);
    char name[20] ;
    memcpy ( name,ptr,20); // Problem begins here

int mark[100]; 
    ...
    //让用户输入学生编号，设现实中学生编号由1开始：
    cout << "请输入学生编号（在1~100之间）："
    int i;
    cin >> i;
    //输出对应学生的考试成绩：
    cout << info[i-1];

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（4）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）。

class Object { 
    private:
    void* data;
    const int size;
    const char id;
    public:
        Object(int sz, char c):size(sz), id(c){ 
        data = new char[size];
    cout << "Object() " << id << " size = " << size << endl;
        }
        ~Object(){ 
    cout << "~Object() " << id << endl;
    delete []data;
        }
    };

以上代码会在堆区疯狂的动态分配内存空间，导致系统内存耗尽时自动调用set\_new\_handler参数列表中的函数，打印出ERROR:内存已耗尽！如下图：  
![在这里插入图片描述][20210223164817233.png_pic_center]

（5）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。

void GetMemory2(char **p, int num)
    { 
    　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    }
    void Test2(void)
    { 
    　char *str = NULL;
    　GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
    　strcpy(str, "hello");
    　cout<< str << endl;
    　free(str);
    }

问题出在函数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。

（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。

void port();
    void addr();
    
    int main ()
    { 
       addr();
       port();
    }
    long *p ;
    void  port()
    { 
       long i, j ;
       j = 0;
       for ( i = 0 ; i < 10 ; i++ )
       { 
            (*p)--;
            j++;
        }
    }
    void addr()
    { 
       long k;
       k = 0;
       p = &k;
    }

这里的问题出现在保存临时变量的地址上。由于addr函数中的变量k在函数返回后就已经不存在了，但是在全局变量p中却保存了它的地址。在下一个函数port中，试图通过全局指针p访问一个不存在的变量，而这个指针实际指向的却是另一个临时变量i，这就导致了死循环的发生。

char *GetString2(void)
    { 
    　char *p = "hello world";
    　return p;
    }
    void Test5(void)
    { 
    　char *str = NULL;
    　str = GetString2();
    　cout<< str << endl;
    }

执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“hello world”而是垃圾。

（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”。

char *p = (char *) malloc(10);
    strcpy(p, “hello”);free(p);       // p所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变…//忘记 释放 strcpy(p, “world”); // 出错

char *p = (char *) malloc(10);
    strcpy(p, “hello”);
    free(p);       // p所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变…
    if(p != NULL)     // 虽然记得，但没有起到防错作用
    {     
      strcpy(p, “world”);     // 出错
     }

## 4 总结5条黄金规则 ##

【规则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。  
【规则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。  
【规则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。  
【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。  
【规则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”。

[Linux_MM]: https://www.bilibili.com/video/BV1jy4y127RK/
[5_linux]: https://www.bilibili.com/video/BV1z5411G7Y6/
[c_c_ linux]: https://ke.qq.com/course/417774?flowToken=1013300
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