C 語言中的指針和內存泄漏

引言

對於任何使用 C 語言的人，如果問他們 C 語言的最大煩惱是什麼，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人員大多數調試時間的事項。指針和內存泄漏對某些開發人員來說似乎令人畏懼，但是一旦您瞭解了指針及其關聯內存操作的基礎，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人員在開始使用指針來編程前應該知道的祕密。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

如果您預先知道什麼地方可能出錯，那麼您就能夠小心避免陷阱，並消除大多數與指針和內存相關的問題。

什麼地方可能出錯？

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

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未初始化的內存

在本例中，p 已被分配了 10 個字節。這 10 個字節可能包含垃圾數據，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爲。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,’\0’,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），然後將具有正確的行爲。

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內存覆蓋

由於 p 已被分配了 10 個字節，如果某個代碼片段嘗試向 p 寫入一個 11 字節的值，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。讓我們假設指針 q 表示該內存。

圖 2. 原始 q 內容

圖 3. 覆蓋後的 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，也可能由於某個共存模塊執行某些內存操作而具有不正確的行爲。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 個字節寫到 p，而後者僅被分配了 10 個字節。

作爲良好的實踐，每當向指針寫入值時，都要確保對可用字節數和所寫入的字節數進行交叉覈對。一般情況下，memcpy 函數將是用於此目的的檢查點。

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內存讀取越界

內存讀取越界 (overread) 是指所讀取的字節數多於它們應有的字節數。這個問題並不太嚴重，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，但是後者僅被分配了 10 個字節。這還會導致不希望的輸出。

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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，它們各自的內容如圖 4 所示。如果某人執行如下所示的語句（指針重新賦值）……
memoryArea = newArea;
則它肯定會在該模塊開發的後續階段給您帶來麻煩。

在上面的代碼語句中，開發人員將 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，因爲沒有指向該位置的引用。這會導致 10 個字節的內存泄漏。

圖 5. 內存泄漏

在對指針賦值前，請確保內存位置不會變爲孤立的。
首先釋放父塊
假設有一個指針 memoryArea，它指向一個 10 字節的內存位置。該內存位置的第三個字節又指向某個動態分配的 10 字節的內存位置，如圖 6 所示。

圖 6. 動態分配的內存
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，因爲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爲了孤立的，從而導致了內存泄漏。

每當釋放結構化的元素，而該元素又包含指向動態分配的內存位置的指針時，應首先遍歷子內存位置（在此例中爲newArea），並從那裏開始釋放，然後再遍歷回父節點。

這裏的正確實現應該爲：
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分配的內存的引用。跟蹤該內存位置並正確地處理它就成爲了 calling 函數的職責。
char *func ( ) { return malloc(20); // make sure to memset this location to ‘\0’… } 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 個字節的塊就丟失了，並導致了內存泄漏。