記憶體管理（一）
記憶體分配方式有5種：
1）從靜態儲存區域分配。例如程式中定義的全域性變數和static變數就是這種方式分配記憶體的。記憶體在程式編譯的時候就已經分配好，這塊記憶體在程式的整個執行期間都存在。
2）在棧上建立。這是出現最多的情況，我們程式中的int var就是這種情況的記憶體分配方式【函式引數及函式區域性變數】。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
4）、文字常量區：常量字串就是放在這裡的。程式結束後由系統釋放。
5）、程式程式碼區：既可執行程式碼。
常見的記憶體錯誤及其相應建議
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。有時使用者怒氣衝衝地把你找來，程式卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。
常見的記憶體錯誤和處理方法如下：
1）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。
2）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。
3）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。
4）忘記了釋放記憶體，造成記憶體洩露。
含有這種錯誤的函式每被呼叫一次就丟失一塊記憶體。剛開始時系統的記憶體充足，你看不到錯誤。終有一次程式突然死掉，系統出現提示：記憶體耗盡。
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）。
5）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”，因為該記憶體在函式體結束時被自動銷燬。
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”。
針對以上這些稍不留神，一疏忽就容易犯的錯誤，這裡提出以下建議：
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。
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。
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。
4）動態記憶體的申請與釋放必須配對，防止記憶體洩漏。
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”
6.3 指標與陣列
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，其地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。下面從一些角度說明指標和陣列的不同。
1）關於兩者的內容修改
一個例子，以下程式：
[cpp]
view plaincopy
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;
字元陣列a的容量是6個字元，其內容為hello\0（位於棧上）。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\0），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。
2）關於兩者進行內容複製
不能對陣列名進行直接複製與比較。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進行復制。
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的地址賦給了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地址，應該用庫函式strcmp來比較。
具體的例子如下程式所示：
[cpp]
view plaincopy
// 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)
3）關於兩者記憶體容量的計算
用運算子sizeof可以計算出陣列的容量（位元組數）。如下例程式中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’\0’）。指標p 指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一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。
[cpp]
view plaincopy
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12位元組
cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組
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類型的指標。如下例中，不論陣列a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。
[cpp]
view plaincopy
void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4位元組而不是100位元組
}
6.4 指標引數怎麼傳遞記憶體
如果函式的引數是一個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。如下例中，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。
[cpp]
view plaincopy
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"); // 執行錯誤
}
我們來分析一下，其實上例的問題出在函式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所指的記憶體地址改變了，但是p絲毫未變（形參有時候就是很害人）。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。
那如果筆試題或者面試官問，我一定要用指標引數去申請記憶體，我們怎麼做呢？好吧，那就耍個小花招，改用“指向指標的指標”好啦。如下程式所示：
[cpp]
view plaincopy
void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory2(&str, 100); // 注意引數是&str，而不是str
strcpy(str, "hello");
cout<< str << endl;
free(str);
}
什麼，你覺得“指向指標的指標”不是很容易理解？好吧，那換一種方式，我們可以用函式返回值來傳遞動態記憶體。如下程式所示：
[cpp]
view plaincopy
char *GetMemory3(int num)
{
char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
return p;
}
void Test3(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory3(100);
strcpy(str, "hello");
cout<< str << endl;
free(str);
}
寫到這裡，又有一個可能會犯的錯誤需要提一下了，很重要，大家一定要注意了。用函式返回值來傳遞動態記憶體這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裡強調不要用return語句返回指向“棧記憶體”的指標，因為該記憶體在函式結束時自動消亡！如下程式所示：
[cpp]
view plaincopy
char *GetString(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; // 編譯器將提出警告
}
void Test4(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString(); // str 的內容是垃圾
cout<< str << endl;
}
如果用偵錯程式逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指標，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。
寫到這裡，又有人提出問題了，如果上例中的hello world是常字串，那會怎麼樣呢，就如下程式所示：
[cpp]
view plaincopy
char *GetString2(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString2();
cout<< str << endl;
}
那這裡要說明的是，事實上這段程式執行不會出錯，但是函式GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2 內的“hello world”是常量字串，位於靜態儲存區，它在程式生命期內恆定不變。無論什麼時候呼叫GetString2，它返回的始終是同一個“只讀”的記憶體塊，所以沒有太大的意義。
6.5 關於free和delete
別看free和delete的名字惡狠狠的（尤其是delete），它們只是把指標所指的記憶體給釋放掉，但指標本身卻被留下來了。
用偵錯程式跟蹤下例，發現指標p被free以後其地址仍然不變（非NULL），只是該地址對應的記憶體是垃圾，p成了“野指標”。如果此時不把p設定為NULL，會讓人誤以為p是個合法的指標。
[cpp]
view plaincopy
char *p = (char *) malloc(100);
strcpy(p, “hello”);
free(p); // p 所指的記憶體被釋放，但是p所指的地址仍然不變 …
if(p != NULL) // 沒有起到防錯作用 { strcpy(p, “world”); // 出錯 }
如果程式比較長，我們有時記不住p所指的記憶體是否已經被釋放，在繼續使用p之前，通常會用語句if(p!=NULL)進行防錯處理。很遺憾，此時if語句起不到防錯作用，因為即便p不是NULL指標，它也不指向合法的記憶體塊。
6.6 動態記憶體會隨程式結束自動釋放嗎
現在有這樣一個例子：
[cpp]
view plaincopy
void Func(void)
{
char *p = (char *) malloc(100); // 動態記憶體會自動釋放嗎？
}
我們都知道函式體內的區域性變數會在函式結束時自動消亡。這裡p是區域性的指標變數，程式結束後它會消亡，但是它消亡時它所指的動態記憶體會一起完蛋嗎？答案是：並不會...
這裡有兩條非常有趣的結論，分別是：
（1）指標消亡了，並不表示它所指的記憶體會被自動釋放。
（2）記憶體被釋放了，並不表示指標會消亡或者成了NULL指標。
6.7 關於“野指標”
“野指標”是最可怕的一類指標，它不是NULL指標，是指向“垃圾”記憶體的指標。人們一般不會錯用NULL指標，因為用if語句很容易判斷。但是“野指標”是很危險的，if語句對它不起作用。
“野指標”的成因主要有兩種：
（1）指標變數沒有被初始化。任何指標變數剛被建立時不會自動成為NULL指標，它的預設值是隨機的，它會亂指一氣。所以，指標變數在建立的同時應當被初始化，要麼將指標設定為NULL，要麼讓它指向合法的記憶體。例如
[cpp]
view plaincopy
char *p = NULL; char *str = (char *) malloc(100);
（2）指標p被free或者delete之後，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個合法的指標。上一節也提到了這個問題。
（3）指標操作超越了變數的作用範圍。這種情況讓人防不勝防，示例程式如下：現在有這樣一個例子：
[cpp]
view plaincopy
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“野指標”
}
函式Test 在執行語句p->Func()時，物件a已經消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指標”。
6.8 malloc/free和new/delete
malloc與free是C++/C語言的標準庫函式，new/delete 是C++的運算子。它們都可用於申請動態記憶體和釋放記憶體。
對於非內部資料型別的物件而言，光用maloc/free無法滿足動態物件的要求。物件在建立的同時要自動執行建構函式，物件在消亡之前要自動執行解構函式。由於malloc/free 是庫函式而不是運算子，不在編譯器控制權限之內，不能夠把執行建構函式和解構函式的任務強加於malloc/free。
因此C++語言需要一個能完成動態記憶體分配和初始化工作的運算子new，以及一個能完成清理與釋放記憶體工作的運算子delete。注意new/delete不是庫函式。
malloc/free和new/delete實現物件的動態記憶體管理的方法是不同的，下面是一個示例：
[cpp]
view plaincopy
class Obj{
public :
Obj(void){ cout << “Initialization”<< endl; }
~Obj(void){ cout << “Destroy”<< endl; }
void Initialize(void){ cout << “Initialization”<< endl; }
void Destroy(void){ cout << “Destroy”<< endl; }
};
void UseMallocFree(void) {
Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申請動態記憶體
a->Initialize(); // 初始化 //…
a->Destroy(); // 清除工作
free(a); // 釋放記憶體
}
void UseNewDelete(void)
{
Obj *a = new Obj; // 申請動態記憶體並且初始化 //…
delete a; // 清除並且釋放記憶體
}
類Obj的函式Initialize模擬了建構函式的功能，函式Destroy模擬了解構函式的功能。函式UseMallocFree中，由於malloc/free不能執行建構函式與解構函式，必須呼叫成員函式Initialize和Destroy來完成初始化與清除工作。函式UseNewDelete則簡單得多。
所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態物件的記憶體管理，應該用new/delete。由於內部資料型別的“物件”沒有構造與析構的過程，對它們而言malloc/free和new/delete是等價的。
既然new/delete的功能完全覆蓋了malloc/free，為什麼C++不把malloc/free淘汰出局呢？這是因為C++程式經常要呼叫C函式，而C程式只能用malloc/free管理動態記憶體。
如果用free釋放“new建立的動態物件”，那麼該物件因無法執行解構函式而可能導致程式出錯。如果用delete釋放“malloc申請的動態記憶體”，理論上講程式不會出錯，但是該程式的可讀性很差。所以new/delete必須配對使用，malloc/free也一樣。
6.9 關於“記憶體耗盡”問題
如果在申請動態記憶體時找不到足夠大的記憶體塊，malloc和new將返回NULL指標，宣告記憶體申請失敗。通常有三種方式處理“記憶體耗盡”問題。
1）判斷指標是否為NULL，如果是則馬上用return語句終止本函式。例如：
[cpp]
view plaincopy
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{ return; }
…
}
2）判斷指標是否為NULL，如果是則馬上用exit(1)終止整個程式的執行。例如：
[cpp]
view plaincopy
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{
cout << “Memory Exhausted”<< endl;
exit(1);
}
…
}
3）為new和malloc設定異常處理函式。例如VisualC++可以用_set_new_hander函式為new設定使用者自己定義的異常處理函式，也可以讓malloc享用與new相同的異常處上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一個函式內有多處需要申請動態記憶體，那麼方式（1）就顯得力不從心（釋放記憶體很麻煩），應該用方式（2）來處理。
很多人不忍心用exit(1)，問：“不編寫出錯處理程式，讓作業系統自己解決行不行？”
不行。如果發生“記憶體耗盡”這樣的事情，一般說來應用程式已經無藥可救。如果不用exit(1) 把壞程式殺死，它可能會害死作業系統。道理如同：如果不把歹徒擊斃，歹徒在老死之前會犯下更多的罪。
雖然對於32 位以上的應用程式而言，無論怎樣使用malloc與new，幾乎不可能導致“記憶體耗盡”。但是：不加錯誤處理將導致程式的質量很差，千萬不可因小失大。
6.10 再說malloc/free
函式malloc的原型如下：
[cpp]
view plaincopy
void * malloc(size_t size);
用malloc申請一塊長度為length的整數型別的記憶體，程式如下：
[cpp]
view plaincopy
int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
我們應當把注意力集中在兩個要素上：“型別轉換”和“sizeof”。
1）malloc返回值的型別是void *，所以在呼叫malloc時要顯式地進行型別轉換，將void * 轉換成所需要的指標型別。
2）malloc 函式本身並不識別要申請的記憶體是什麼型別，它只關心記憶體的總位元組數。我們通常記不住int,float 等資料型別的變數的確切位元組數。例如int變數在16位系統下是2個位元組，在32位下是4個位元組；而float變數在16位系統下是4個位元組，在32位下也是4個位元組。最好用以下程式作一次測試：
[cpp]
view plaincopy
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運算子是良好的風格，但要當心有時我們會昏了頭，寫出p = malloc(sizeof(p))這樣的程式來。
3）函式free的原型如下：
[cpp]
view plaincopy
void free( void * memblock );
為什麼free函式不象malloc函式那樣複雜呢？這是因為指標p的型別以及它所指的記憶體的容量事先都是知道的，語句free(p)能正確地釋放記憶體。如果p是NULL指標，那麼free對p無論操作多少次都不會出問題。如果p不是NULL指標，那麼free對p連續操作兩次就會導致程式執行錯誤。
6.11 再說new/delete
運算子new使用起來要比函式malloc簡單得多，例如：
[cpp]
view plaincopy
int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
這是因為new內建了sizeof、型別轉換和型別安全檢查功能。對於非內部資料型別的物件而言，new在建立動態物件的同時完成了初始化工作。如果物件有多個建構函式，那麼new的語句也可以有多種形式。例如
[cpp]
view plaincopy
class Obj
{
public :
Obj(void); // 無引數的建構函式
Obj(int x); // 帶一個引數的建構函式 …
}
void Test(void)
{
Obj *a = new Obj;
Obj *b = new Obj(1); // 初值為1
…
delete a;
delete b;
}
如果用new建立物件陣列，那麼只能使用物件的無引數建構函式。例如
[cpp]
view plaincopy
Obj *objects = new Obj[100]; // 建立100個動態物件
不能寫成
[cpp]
view plaincopy
Obj *objects = new Obj[100](1);// 建立100個動態物件的同時賦初值1
在用delete釋放物件陣列時，留意不要丟了符號‘[]’。例如
[cpp]
view plaincopy
delete []objects; // 正確的用法 delete objects; // 錯誤的用法
後者相當於delete objects[0]，漏掉了另外99個物件。
6.12 總結
知識點在上已經一一敘述過了，這裡總結兩句話：
1）越是怕指標，就越要使用指標。不會正確使用指標，肯定算不上是合格的程式設計師。
2）必須養成“使用偵錯程式逐步跟蹤程式”的習慣，只有這樣才能發現問題的本質。