C 程式設計之記憶體管理(再談)

2021-07-15 22:22:36 字數 2518 閱讀 5045

在 常見的記憶體錯誤及其對策

c++中,記憶體分成 5 個區,他們分別是堆、棧、自由儲存區、全域性/靜態儲存區和常量儲存區。

管理方式:對於棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對於堆來說,釋放工作由程式設計師控制,容易產生 memory leak。

空間大小:一般來講在 32 位系統下,堆記憶體可以達到 4g 的空間,從這個角度來看堆記憶體幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講,一般都是有一定的空間大小的,例如,在 vc6 下面,預設的棧空間大小是1m(好像是,記不清楚了)。

當然,我們可以修改:

開啟工程,依次操作選單如下: project->setting->link,在 category 中選中 output,然後在 reserve

中設定堆疊的最大值和 commit。

注意: reserve 最小值為 4byte; commit 是保留在虛擬記憶體的頁檔案裡面,它設定的較大會使棧開闢較大的值,可能增加記憶體的開銷和啟動時間。

碎片問題:對於堆來講,頻繁的 new/delete 勢必會造成記憶體空間的不連續,從而造成大量的碎片,使程式效率降低。對於棧來講,則不會存在這個問題,因為棧是先進後出的佇列,他們是如此的一一對應,以至於永遠都不可能有乙個記憶體塊從棧中間彈出,在他彈出之前,在他上面的後進的棧內容已經被彈出,詳細的可以參考資料結構,這裡我們就不再一一討論了。

生長方向:對於堆來講,生長方向是向上的,也就是向著記憶體位址增加的方向;對於棧來講,它的生長方向是向下的,是向著記憶體位址減小的方向增長。

分配方式:堆都是動態分配的,沒有靜態分配的堆。棧有 2 種分配方式:靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的,比如區域性變數的分配。動態分配由 alloca 函式進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,他的動態分配是由編譯器進行釋放,無需我們手工實現。

分配效率:棧是機器系統提供的資料結構,計算機會在底層對棧提供支援:分配專門的暫存器存放棧的位址,壓棧出棧都有專門的指令執行,這就決定了棧的效率比較高。堆則是 c/c++函式庫提供的,它的機制是很複雜的,例如為了分配一塊記憶體,庫函式會按照一定的演算法(具體的演算法可以參考資料結構/作業系統)在堆記憶體中搜尋可用的足夠大小的空間,如果沒有足夠大小的空間(可能是由於記憶體碎片太多),就有可能呼叫系統功能去增加程式資料段的記憶體空間,這樣就有機會分到足夠大小的記憶體,然後進行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。

從這裡我們可以看到,堆和棧相比,由於大量 new/delete 的使用,容易造成大量的記憶體碎片;由於沒有專門的系統支援,效率很低;由於可能引發使用者態和核心態的切換,記憶體的申請,代價變得更加昂貴。所以棧在程式中是應用最廣泛的,就算是函式的呼叫也利用棧去完成,函式呼叫過程中的引數,返回位址,ebp 和區域性變數都採用棧的方式存放。所以,我們推薦大家盡量用棧,而不是用堆。雖然棧有如此眾多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,有時候分配大量的記憶體空間,還是用堆好一些。無論是堆還是棧,都要防止越界現象的發生(除非你是故意使其越界),因為越界的結果要麼是程式崩潰,要麼是摧毀程式的堆、棧結構,產生意想不到的結果,就算是在你的程式執行過程中,沒有發生上面的問題,你還是要小心,說不定什麼時候就崩掉,那時候 debug 可是相當困難的:) 。

常見的記憶體錯誤及其對策如下:

* 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。

* 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。

* 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。

* 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」,因為該內存在函式體結束時被自動銷毀。

( 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」。

【規則 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。

【規則 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。

【規則 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。

【規則 4】動態記憶體的申請與釋放必須配對,防止記憶體洩漏。

【規則 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」。

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