C語言使用中指針和內存泄漏的問題和解決方案

引言

對于任何使用 C 語言的人，如果問他們 C 語言的最大煩惱是什么，其中許多人可能會回答說是指針和內存泄漏。這些的確是消耗了開發(fā)人員大多數調試時間的事項。指針和內存泄漏對某些開發(fā)人員來說似乎令人畏懼，但是一旦您了解了指針及其關聯(lián)內存操作的基礎，它們就是您在 C 語言中擁有的最強大工具。

本文將與您分享開發(fā)人員在開始使用指針來編程前應該知道的秘密。本文內容包括：

●導致內存破壞的指針操作類型

●在使用動態(tài)內存分配時必須考慮的檢查點

●導致內存泄漏的場景

如果您預先知道什么地方可能出錯，那么您就能夠小心避免陷阱，并消除大多數與指針和內存相關的問題。

什么地方可能出錯？

有幾種問題場景可能會出現，從而可能在完成生成后導致問題。在處理指針時，您可以使用本文中的信息來避免許多問題。

未初始化的內存

在本例中，p已被分配了 10 個字節(jié)。這 10 個字節(jié)可能包含垃圾數據，如圖 1所示。

char *p = malloc ( 10 );

圖1.垃圾數據

如果在對這個p賦值前，某個代碼段嘗試訪問它，則可能會獲得垃圾值，您的程序可能具有不可預測的行為。p可能具有您的程序從未曾預料到的值。

良好的實踐是始終結合使用memset和malloc，或者使用calloc。

char *p = malloc (10);

memset(p,’’,10);

現在，即使同一個代碼段嘗試在對p賦值前訪問它，該代碼段也能正確處理Null值（在理想情況下應具有的值），然后將具有正確的行為。

內存覆蓋

由于p已被分配了 10 個字節(jié)，如果某個代碼片段嘗試向p寫入一個 11 字節(jié)的值，則該操作將在不告訴您的情況下自動從其他某個位置“吃掉”一個字節(jié)。讓我們假設指針q表示該內存。

圖2.原始 q 內容

圖3.覆蓋后的 q 內容

結果，指針q將具有從未預料到的內容。即使您的模塊編碼得足夠好，也可能由于某個共存模塊執(zhí)行某些內存操作而具有不正確的行為。下面的示例代碼片段也可以說明這種場景。

char *name = (char *) malloc(11);

// Assign some value to name

memcpy ( p,name,11); // Problem begins here

在本例中，memcpy操作嘗試將 11 個字節(jié)寫到p，而后者僅被分配了 10 個字節(jié)。

作為良好的實踐，每當向指針寫入值時，都要確保對可用字節(jié)數和所寫入的字節(jié)數進行交叉核對。一般情況下，memcpy函數將是用于此目的的檢查點。

內存讀取越界

內存讀取越界 (overread) 是指所讀取的字節(jié)數多于它們應有的字節(jié)數。這個問題并不太嚴重，在此就不再詳述了。下面的代碼提供了一個示例。

char *ptr = (char *)malloc(10);

char name[20] ;

memcpy ( name,ptr,20); // Problem begins here

在本例中，memcpy操作嘗試從ptr讀取 20 個字節(jié)，但是后者僅被分配了 10 個字節(jié)。這還會導致不希望的輸出。

內存泄漏

內存泄漏可能真正令人討厭。下面的列表描述了一些導致內存泄漏的場景。

●重新賦值我將使用一個示例來說明重新賦值問題。

char *memoryArea = malloc(10);

char *newArea = malloc(10);

這向如下面的圖 4所示的內存位置賦值。

圖4.內存位置

memoryArea和newArea分別被分配了 10 個字節(jié)，它們各自的內容如圖 4所示。如果某人執(zhí)行如下所示的語句（指針重新賦值）……

memoryArea = newArea;

則它肯定會在該模塊開發(fā)的后續(xù)階段給您帶來麻煩。

在上面的代碼語句中，開發(fā)人員將memoryArea指針賦值給newArea指針。結果，memoryArea以前所指向的內存位置變成了孤立的，如下面的圖 5所示。它無法釋放，因為沒有指向該位置的引用。這會導致 10 個字節(jié)的內存泄漏。

圖5.內存泄漏

●在對指針賦值前，請確保內存位置不會變?yōu)楣铝⒌摹?/p>

●首先釋放父塊假設有一個指針memoryArea，它指向一個 10 字節(jié)的內存位置。該內存位置的第三個字節(jié)又指向某個動態(tài)分配的 10 字節(jié)的內存位置，如圖 6所示。

圖6.動態(tài)分配的內存

free(memoryArea)

如果通過調用 free 來釋放了memoryArea，則newArea指針也會因此而變得無效。newArea以前所指向的內存位置無法釋放，因為已經沒有指向該位置的指針。換句話說，newArea所指向的內存位置變?yōu)榱斯铝⒌模瑥亩鴮е铝藘却嫘孤?/p>

每當釋放結構化的元素，而該元素又包含指向動態(tài)分配的內存位置的指針時，應首先遍歷子內存位置（在此例中為newArea），并從那里開始釋放，然后再遍歷回父節(jié)點。

這里的正確實現應該為：

free( memoryArea->newArea);

free(memoryArea);

返回值的不正確處理

有時，某些函數會返回對動態(tài)分配的內存的引用。跟蹤該內存位置并正確地處理它就成為了calling函數的職責。

char *func ( )

{

return malloc(20); // make sure to memset this location to ‘’…

}

void callingFunc ( )

{

func ( ); // Problem lies here

}

在上面的示例中，callingFunc()函數中對func()函數的調用未處理該內存位置的返回地址。結果，func()函數所分配的 20 個字節(jié)的塊就丟失了，并導致了內存泄漏。

歸還您所獲得的

在開發(fā)組件時，可能存在大量的動態(tài)內存分配。您可能會忘了跟蹤所有指針（指向這些內存位置），并且某些內存段沒有釋放，還保持分配給該程序。

始終要跟蹤所有內存分配，并在任何適當的時候釋放它們。事實上，可以開發(fā)某種機制來跟蹤這些分配，比如在鏈表節(jié)點本身中保留一個計數器（但您還必須考慮該機制的額外開銷）。

訪問空指針

訪問空指針是非常危險的，因為它可能使您的程序崩潰。始終要確保您不是在訪問空指針。

總結

本文討論了幾種在使用動態(tài)內存分配時可以避免的陷阱。要避免內存相關的問題，良好的實踐是：

●始終結合使用memset和 malloc，或始終使用calloc。

●每當向指針寫入值時，都要確保對可用字節(jié)數和所寫入的字節(jié)數進行交叉核對。

●在對指針賦值前，要確保沒有內存位置會變?yōu)楣铝⒌摹?/p>

●每當釋放結構化的元素（而該元素又包含指向動態(tài)分配的內存位置的指針）時，都應首先遍歷子內存位置并從那里開始釋放，然后再遍歷回父節(jié)點。

●始終正確處理返回動態(tài)分配的內存引用的函數返回值。

●每個malloc都要有一個對應的 free。

●確保您不是在訪問空指針。