程序加载到内存后代码存储到代码区，并将全局变量、静态变量初始化到全局/静态内存区，然后会分配2M左右的栈内存区用于存储局部变量，并在运行时根据需要可以在堆内存区（空闲内存区及硬盘的虚拟内存区）申请空间。

程序可使用的内存分区↓

各基本类型所需的字节长度↓

程序中的输入、输出与内存↓

内存本质上是一个线性结构↓

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：

2.1 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。

2.2 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（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。

2.3 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。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。

2.4 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）。

2.5 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。

(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”。

对策：

【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。
【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。
【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。
【4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
【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 字符串的三种存储空间

字符串可以存储在栈区、堆区、或常量空间：

char str1[] = "abc";			// 字符串存储在栈中	
char str2[] = "abc";				
char* str3 = "abc";				// 字符串存储在常量区
char* str4 = "abc";				// 严格的写法应该是 const char* str4 = "abc";	
char* str5 = (char*)malloc(4);	// 字符串存储在堆中			
char* str6 = (char*)malloc(4);
str4[0]='x'; // 编译错误

4 内存操作函数

在头文件<string.h>中主要有C风格字符串的操作函数以外，还有一类mem系列函数，主要是用来操作内存（不止字符串的操作）：

①
void *memset(void*s ,int ch,size_t n);
将内存地址s处的n个字节的每个字节都替换为ch，并返回s。
②
void *memcmp(const void*buf1,const void *buf2,unsigned int count);
比较内存区域buf1和buf2的前count个字节
③
void *memcpy(void* d,const void*s,size_t n)
内存拷贝，将地址s位置的连续n个字节的内容复制到从地址d开始的内存空间上来。
④
void *memmove(void* dest,const void* src,size_t count);
由src所指的内存区域复制count个字节到dest所指的内存区域。
⑤
void *memchr(const void *buf, int ch, size_t count)
从buf所指内存区域的前count个字节查找字符ch，返回指向ch的指针
⑥
void* memccpy(void* dest, void* src, unsigned char ch, unsigned int count)
由src所指内存区域复制不大于count个字节到dest所指内存区域，如果遇到字符ch则停止复制，返回值为NULL，如果ch没有被复制，返回值为一个指向紧接着dest区域后的字符指针。
⑦
int memicmp(void* buf1, void* buf2, unsigned int count)
比较内存中字符的大小（不区分大小写）

5 计算内存容量

用运算符 sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。如有数组a，sizeof(a)的值就是其数组元素加上’\0’的字节总和。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。

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12 字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4 字节

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。不论数组 的容量是多少，sizeof(a)始终等于 sizeof(char*)。

void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4 字节而不是 100 字节
}

6 二级指针参数可以传递内存

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。
void GetMemory(char *p, int num)
{
p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);//指针要解引用操作才可以改变
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str, 100);	// str 仍然为 NULL
strcpy(str, "hello");	// 运行错误
}

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”：

void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);//指针p的解引用*p
}
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);
}

7 free 和delete 后的指针其地址值并未改变（也未置NULL），只是释放了指针指向的内存

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。

如下例，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。

char *p = (char *) malloc(100);
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) // 没有起到防错作用
{
strcpy(p, “world”); // 出错
}

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。

8 动态内存在运行出作用域时并不会被自动释放

函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为以下代码是正确的。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！

void Func(void)
{
char *p = (char *) malloc(100); // 动态内存会自动释放吗？
}

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。

9 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 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。

10 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。

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。

11 各类别内存空间耗尽了怎么办？

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。

11.1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;
	}
	…
}

11.2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);
	}
	…
}

11.3 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。

上述11.1、11.2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11.1就显得力不从心（释放内存很麻烦），应该用方式11.2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。

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”。如以下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“虚拟内存”，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，OS已经累得对键盘、鼠标毫无反应。

// “内存耗尽”测试程序
void main(void)
{
	float *p = NULL;
	while(TRUE)
	{
		p = new float[1000000];
		cout << “eat memory” << endl;
		if(p==NULL)
			exit(1);
	}
}

12 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”。

(1)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。

(2)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使用sizeof()即可。

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。

(3)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。

13 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。

参考：《高质量C++编程指南(林锐博士)》

－End－