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3、能否产生碎片不同;
4、生长方向不同;
5、分配方式不同;
6、分配效率不同;
管理方式:
对于栈来讲,是由编译器自动管理,无需我们手工控制;
对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memoryleak。
空间大小:
一般来讲在32位系统下,堆内存可以达到4G的空间,从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。
但是对于栈来讲,一般都是有一定的空间大小的,例如,在VC6下面,默认的栈空间大小是1M(好像是,记不清楚了)。
当然,我们可以修改:
打开工程,依次操作菜单如下:
Project->
Setting->
Link,在Category中选中Output,然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意:
reserve最小值为4Byte;
commit是保留在虚拟内存的页文件里面,它设置的较大会使栈开辟较大的值,可能增加内存的开销和启动时间。
碎片问题:
对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低。
对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,他们是如此的一一对应,以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出,在他弹出之前,在他上面的后进的栈内容已经被弹出,详细的可以参考数据结构,这里我们就不再一一讨论了。
生长方向:
对于堆来讲,生长方向是向上的,也就是向着内存地址增加的方向;
对于栈来讲,它的生长方向是向下的,是向着内存地址减小的方向增长。
分配方式:
堆都是动态分配的,没有静态分配的堆。
栈有2种分配方式:
静态分配和动态分配。
静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配。
动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现。
分配效率:
栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:
分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高。
堆则是C/C++函数库提供的,它的机制是很复杂的,例如为了分配一块内存,库函数会按照一定的算法(具体的算法可以参考数据结构/操作系统)在堆内存中搜索可用的足够大小的空间,如果没有足够大小的空间(可能是由于内存碎片太多),就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间,这样就有机会分到足够大小的内存,然后进行返回。
显然,堆的效率比栈要低得多。
从这里我们可以看到,堆和栈相比,由于大量new/delete的使用,容易造成大量的内存碎片;
由于没有专门的系统支持,效率很低;
由于可能引发用户态和核心态的切换,内存的申请,代价变得更加昂贵。
所以栈在程序中是应用最广泛的,就算是函数的调用也利用栈去完成,函数调用过程中的参数,返回地址,EBP和局部变量都采用栈的方式存放。
所以,我们推荐大家尽量用栈,而不是用堆。
虽然栈有如此众多的好处,但是由于和堆相比不是那么灵活,有时候分配大量的内存空间,还是用堆好一些。
无论是堆还是栈,都要防止越界现象的发生(除非你是故意使其越界),因为越界的结果要么是程序崩溃,要么是摧毁程序的堆、栈结构,产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中,没有发生上面的问题,你还是要小心,说不定什么时候就崩掉,那时候debug可是相当困难的:
)
贰——踏入C++中的雷区——C++内存管理详解
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。
本文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。
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。
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”。
【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”。
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。
3.1修改内容
示例3-1中,字符数组a的容量是6个字符,其内容为hello。
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world),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。
chara[]=“hello”;
a[0]=‘X’;
cout<
<
a<
endl;
char*p=“world”;
//注意p指向常量字符串
p[0]=‘X’;
//编译器不能发现该错误
p<
示例3.1修改数组和指针的内容
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。
//数组…
chara[]="
hello"
;
charb[10];
strcpy(b,a);
//不能用b=a;
if(strcmp(b,a)==0)//不能用if(b==a)
…
//指针…
intlen=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)
…
示例3.2数组和指针的内容复制与比较
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’’)。
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*)。
helloworld"
char*p=a;
cout<
sizeof(a)<
//12字节
sizeof(p)<
//4字节
示例3.3(a)计算数组和指针的内存容量
voidFunc(chara[100])
{
cout<
//4字节而不是100字节
}
示例3.3(b)数组退化为指针
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?
voidGetMemory(char*p,intnum)
p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);
}
voidTest(void)
char*str=NULL;
GetMemory(str,100);
//str仍然为NULL
strcpy(str,"
);
//运行错误
示例4.1试图用指针参数申请动态内存
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4.2。
voidGetMemory2(char**p,intnum)
*p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);
voidTest2(void)
GetMemory2(&
str,100);
//注意参数是&
str,而不是str
str<
free(str);
示例4.2用指向指针的指针申请动态内存
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4.3。
char*GetMemory3(intnum)
char*p=(char*)malloc(sizeof(char)*num);
returnp;
voidTest3(void)
str=GetMemory3(100);
示例4.3用函数返回值来传递动态内存
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4.4。
char*GetString(void)
charp[]="
//编译器将提出警告
voidTest4(void)
str=GetString();
//str的内容是垃圾
示例4.4return语句返回指向“栈内存”的指针
用调试器逐步跟踪Test4,发现执行str=GetString语句后str不再是NULL指针,但是str的内容不是“helloworld”而是垃圾。
如果把示例4.4改写成示例4.5,会怎么样?
char*GetString2(void)
char*p="
voidTest5(void)
str=GetString2();
示例4.5return语句返回常量字符串
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“helloworld”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。
5、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。
(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:
classA
{
public:
voidFunc(void){cout<
“FuncofclassA”<
}
};
A*p;
{
Aa;
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。
6、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6。
classObj
public:
Obj(void){cout<
“Initialization”<
~Obj(void){cout<
“Destroy”<
voidInitialize(void){cout<
voidDestroy(void){cout<
voidUseMallocFree(void)
Obj*a=(obj*)malloc(sizeof(obj));
//申请动态内存
a->
Initialize();
//初始化
//…
Destroy();
//清除工作
free(a);
//释放内存
voidUseNewDelete(void)
Obj*a=newObj;
//申请动态内存并且初始化
deletea;
//清除并且释放内存
示例6用malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理
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、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:
voidFunc(void)
A*a=newA;
if(a==NULL)
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