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Linux下C++內存管理的指針傳遞詳解

日期:2017/3/3 16:41:09   编辑:關於Linux

指針參數是如何傳遞內存的?

如果函數的參數是一個指針,不要指望用該指針去申請動態內存。示例7-4-1中,Test函數的語句 GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的內存,str依舊是NULL,為什麼?

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
}

示例試圖用指針參數申請動態內存

毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本,指針參數p的副本是 _p, 編譯器使 _p = p。如果函數體內的程序修改了_p的內容,就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針 可以用作輸出參數的原因。在本例中,_p申請了新的內存,只是把 _p所指的內存地址改變了,但是p絲毫 未變。所以函數GetMemory並不能輸出任何東西。事實上,每執行一次GetMemory就會洩露一塊內存,因為 沒有用free釋放內存。

如果非得要用指針參數去申請內存,那麼應該改用“指向指針的指針”,見示例4.2。

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

示例用指向指針的指針申請動態內存

由於“指向指針的指針”這個概念不容易理解,我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。這種方法 更加簡單。

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);
}

示例用函數返回值來傳遞動態內存

用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用,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“棧內存”的指針,因為該內存在函數結束時自動消亡,見示例。

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;
}

示例return語句返回指向“棧內存”的指針

用調試器逐步跟蹤Test4,發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指針,但是str的內容不是 “hello world”而是垃圾。

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

示例return語句返回常量字符串

函數Test5運行雖然不會出錯,但是函數GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2內的 “hello world”是常量字符串,位於靜態存儲區,它在程序生命期內恆定不變。無論什麼時候調用 GetString2,它返回的始終是同一個“只讀”的內存塊。

杜絕“野指針”

“野指針”不是NULL指針,是指向“垃圾”內存的指針。人們一般不會錯用NULL指針,因為用if語句 很容易判斷。但是“野指針”是很危險的,if語句對它不起作用。 “野指針”的成因主要有兩種:

(1)指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創建時不會自動成為NULL指針,它的缺省值是隨機的 ,它會亂指一氣。所以,指針變量在創建的同時應當被初始化,要麼將指針設置為NULL,要麼讓它指向合 法的內存。例如

char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);

(2)指針p被free或者delete之後,沒有置為NULL,讓人誤以為p是個合法的指針。

(3)指針操作超越了變量的作用范圍。這種情況讓人防不勝防,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“野指針”
}

函數Test在執行語句p->Func()時,對象a已經消失,而p是指向a的,所以p就成了“野指針”。但 奇怪的是我運行這個程序時居然沒有出錯,這可能與編譯器有關。

有了malloc/free為什麼還要new/delete?

malloc與free是C++/C語言的標准庫函數,new/delete是C++的運算符。它們都可用於申請動態內存和 釋放內存。

對於非內部數據類型的對象而言,光用maloc/free無法滿足動態對象的要求。對象在創建的同時要自 動執行構造函數,對象在消亡之前要自動執行析構函數。由於malloc/free是庫函數而不是運算符,不在 編譯器控制權限之內,不能夠把執行構造函數和析構函數的任務強加於malloc/free。

因此C++語言需要一個能完成動態內存分配和初始化工作的運算符new,以及一個能完成清理與釋放內 存工作的運算符delete。注意 new/delete不是庫函數。我們先看一看malloc/free和new/delete如何實現 對象的動態內存管理,見示例6。

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)); // 申請動態內存
 a->Initialize(); // 初始化
 //…
 a->Destroy(); // 清除工作
 free(a); // 釋放內存
}
void UseNewDelete(void)
{
 Obj *a = new Obj; // 申請動態內存並且初始化
 //…
 delete a; // 清除並且釋放內存
}

示例 用malloc/free和new/delete如何實現對象的動態內存管理

類Obj的函數Initialize模擬了構造函數的功能,函數Destroy模擬了析構函數的功能。函數 UseMallocFree中,由於 malloc/free不能執行構造函數與析構函數,必須調用成員函數Initialize和 Destroy來完成初始化與清除工作。函數 UseNewDelete則簡單得多。

所以我們不要企圖用malloc/free來完成動態對象的內存管理,應該用new/delete。由於內部數據類型 的“對象”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++程序經常要調用C函數,而C程序只能用malloc/free管理動態內存。

如果用free釋放“new創建的動態對象”,那麼該對象因無法執行析構函數而可能導致程序出錯。如果 用delete釋放“malloc申請的動態內存”,理論上講程序不會出錯,但是該程序的可讀性很差。所以 new/delete必須配對使用,malloc/free也一樣。

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