C语言系列--内存管理

C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloca,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.
其中alloca是向栈申请内存,因此无需释放. malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有
初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.
calloc则将初始化这部分的内存,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的
调整.申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小;

   malloc/calloc/free基本上都是C函数库实现的,跟OS无关.C函数库内部通过一定的
结构来保存当前有多少可用内存.如果程序malloc的大小超出了库里所留存的空间,那么
将首先调用brk系统调用来增加可用空间,然后再分配空间.free时,释放的内存并不立即
返回给os,而是保留在内部结构中. 可以打个比方: brk类似于批发,一次性的向OS申请大
的内存,而malloc等函数则类似于零售,满足程序运行时的要求.这套机制类似于缓冲.
使用这套机制的原因:
 系统调用不能支持任意大小的内存分配(有的系统调用只支持固定大小以及其倍数的
内存申请,这样的话,对于小内存的分配会造成浪费; 系统调用申请内存代价昂贵,涉及到
用户态和核心态的转换.
不过对于这种机制的研究还是很有意思的.可以看看
dirk grunwald and benjamin zorn写的
CustoMalloc: Efficient Synthesized Memory Allocators 这篇paper.

7 ．16  用malloc()函数更好还是用calloc()函数更好?        
    函数malloc()和calloc()都可以用来分配动态内存空间，但两者稍有区别。    
    malloc()函数有一个参数，即要分配的内存空间的大小：    
    Void *malloc(size_t size);   
    calloc()函数有两个参数，分别为元素的数目和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小：    
    void  *calloc(size_t numElements，size_t sizeOfElement)；
    如果调用成功，函数malloc()和calloc()都将返回所分配的内存空间的首地址。
    malloc() 函数和calloc()函数的主要区别是前者不能初始化所分配的内存空间，而后者能。如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过，则其中的每一位可能都是0；反之，如果这部分内存空间曾经被分配、释放和重新分配，则其中可能遗留各种各样的数据。也就是说，使用malloc()函数的程序开始时(内存空间还没有被重新分配)能正常运行，但经过一段时间后(内存空间已被重新分配)可能会出现问题。
    calloc() 函数会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零，也就是说，如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存，那么这些元素将保证会被初始化为零；如果你是为指针类型的元素分配内存，那么这些元素通常(但无法保证)会被初始化为空指针；如果你是为实数类型的元素分配内存，那么这些元素可能(只在某些计算机中)会被初始化为浮点型的零。
    malloc() 函数和calloc()函数的另一点区别是calloc()函数会返回一个由某种对象组成的数组，但malloc()函数只返回一个对象。为了明确是为一个数组分配内存空间，有些程序员会选用calloc()函数。但是，除了是否初始化所分配的内存空间这一点之外，绝大多数程序员认 为以下两种函数调用方式没有区别：
    calloc(numElements ，sizeOfElement)；
    malloc(numElements *sizeOfElement) ；
    需要解释的一点是，理论上(按照ANSIC标准)指针的算术运算只能在一个指定的数组中进行，但是在实践中，即使C编译程序或翻译器遵循这种规定，许多C程序还是冲破了这种限制。因此，尽管malloc()函数并不能返回一个数组，它所分配的内存空间仍然能供一个数组使用(对realloc()函数来说同样如此，尽管它也不能返回一个数组)。
    总之，当你在calloc()函数和malloc()函数之间作选择时，你只需考虑是否要初始化所分配的内存空间，而不用考虑函数是否能返回一个数组。
    当程序运行过程中malloc了,但是没有free的话,会造成内存泄漏.一部分的内存没有
被使用,但是由于没有free,因此系统认为这部分内存还在使用,造成不断的向系统申请内
存,是的系统可用内存不断减少.但是,内存泄漏仅仅指程序在运行时,程序退出时,OS将回
收所有的资源.因此,适当的重起一下程序,有时候还是有点作用.

7.1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。

7.2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：
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)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。

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。

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）。

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"。
【规则7-2-1】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7-2-2】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7-2-3】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7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
【规则7-2-5】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"。

7.3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。
7.3.1 修改内容
示例7-3-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello\0。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\0），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。
char a[] = "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
cout << p << endl;

示例7-3-1 修改数组和指针的内容