C++常见的内存错误和解决策略

十五年专注C++开发2024-10-09 0:35

目录

1.未初始化指针 (Uninitialized Pointer)

2.内存分配未成功却使用了它

3.野指针 (Dangling Pointer)

4.内存泄漏 (Memory Leak)

5.重复释放内存 (Double Free)

6.内存越界访问 (Buffer Overflow)

7.错误的数组删除方式 (Mismatched Delete)

8.栈内存溢出 (Stack Overflow)

9.delete (void*)

[10.Virtual destructor](#10.Virtual destructor)

[11. 对象循环引用](#11. 对象循环引用)

1.未初始化指针 (Uninitialized Pointer)

  • 错误描述：内存分配成功后，未进行初始化就引用，可能导致错误的数据引用。
  • 解决策略：无论用何种方式创建数组或动态内存，都应为其赋初值，防止将未被初始化的内存作为右值使用。

常见的示例代码如下：

cpp 复制代码 
int* p;
*p = 10; //可能会导致内存访问错误

解决方案：在使用指针前，进行初始化。

cpp 复制代码 
int* p = nullptr;
p = new int;
*p = 10;

2.内存分配未成功却使用了它

  • 错误描述：在内存分配失败的情况下，程序仍然尝试使用未成功分配的内存。
  • 解决策略 ：在使用内存之前，应检查指针是否为NULL。如果指针是函数的参数，那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)（头文件是assert.h）进行检查。如果是用malloc或new来申请内存，应该用if(p==NULL)进行防错处理。

C++之assert惯用法_c++ assert-CSDN博客

3.野指针 (Dangling Pointer)

  • 错误描述：内存释放后，程序仍然尝试使用已释放的内存，可能导致程序崩溃或不稳定。

  • 解决策略：

    • 重新设计数据结构，从根本上解决对象管理的混乱局面。
    • 注意函数的return语句，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。
    • 使用free或delete释放了内存后，将指针设置为NULL，防止产生"野指针"。
    • 使用智能指针可以避免野指针问题，因为它们会在对象超出作用域时自动释放资源。

4.内存泄漏 (Memory Leak)

问题: 动态分配的内存在不需要时没有被正确释放，导致可用内存越来越少。

解决策略:

  • 智能指针 : 使用 C++ 的智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）来管理动态内存。它们可以在超出作用域时自动释放内存。

  • 确保delete匹配new : 每个通过new分配的内存，都要在适当的时机调用delete释放。

  • 工具检查: 使用内存检测工具如 Valgrind 或 AddressSanitizer 来检测内存泄漏。

C++惯用法之RAII思想: 资源管理_raii 思想-CSDN博客

下面看个例子：

cpp 复制代码 
void MemoryLeakFunction()
{
  XXX_Class * pObj = new XXX_Class();
  pObj->DoSomething();
  return; 
}

下面这个场景，就是析构函数中并没有释放成员所指向的内存。这个我们就要注意了，一般当你构建一个类的时候，写析构函数一定要切记释放类成员关联的资源。

cpp 复制代码 
class MemoryLeakClass
{
public:
  MemoryLeakClass() 
  { 
    m_pObj = new XXX_ResourceClass;
  }
  void DoSomething()
  {
    m_pObj->DoSomething();
  }
  ~MemoryLeakClass()
  {
    ;
  }
private:
  XXX_ResourceClass* m_pObj;
};

在boost或者C++ 11后，通过智能指针去进行包裹这个原始指针，这是一种RAII的思想， 在out of scope的时候，释放自己所包裹的原始指针指向的资源。将上述例子用unique_ptr改写一下。

cpp 复制代码 
void MemoryLeakFunction()
{
  std::unique_ptr<XXX_Class> pObj = make_unique<XXX_Class>();
  pObj->DoSomething();
  return; 
}

5.重复释放内存 (Double Free)

问题: 动态分配的内存被释放多次，这可能会导致程序崩溃或未定义行为。

解决策略:

  • 将指针设置为 nullptr : 在释放指针之后，将其设置为nullptr，以避免重复释放。

  • 检查指针状态 : 释放内存前，检查指针是否为nullptr。

cpp 复制代码 
int* p = new int(10);
delete p;
p = nullptr;  // 避免重复释放

6.内存越界访问 (Buffer Overflow)

问题: 动态分配的内存被超范围使用，可能导致数据损坏、程序崩溃等问题。

解决策略:

  • 谨慎使用指针和数组: 确保访问的内存区域是合法的。

  • 边界检查: 在处理动态数组时，始终执行边界检查。

  • 使用标准库容器 : 使用如 std::vector、std::string 等标准库容器，它们会自动管理边界检查。

7.错误的数组删除方式 (Mismatched Delete)

问题 : 使用new[]分配的数组使用delete而不是delete[]释放，或反之。

解决策略:

  • 确保匹配使用new/delete和new[]/delete[] ：数组需要使用delete[]来释放。

  • 使用 C++ 的智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）来管理动态数组内存

  • 手动编写获取内存的类，自动释放内存，如：

C++简单缓冲区类设计_c++ 缓存区设计-CSDN博客

8.栈内存溢出 (Stack Overflow)

问题: 过度使用栈内存，通常是由于递归调用过深或栈上分配的大型对象。

解决策略:

  • 减少递归深度: 优化递归算法，避免过深的递归调用。

  • 将大对象放在堆上 : 如果对象太大，使用new将其分配到堆上而非栈上。

9.delete (void*)

因为C++的灵活性，有时候会将一个对象指针转换为void *，隐藏其类型。这种情况SDK比较常用，实际上返回的并不是SDK用的实际类型，而是一个没有类型的地址，当然有时候我们会为其亲切的取一个名字，比如叫做XXX_HANDLE。

那么继续用上述为例MemoryLeakClass， SDK假设提供了下面三个接口:

  1. InitObj创建一个对象，并且返回一个PROGRAMER_HANDLE(即void *)，对应用程序屏蔽其实际类型
  2. DoSomething 提供了一个功能去做一些事情，输入的参数，即为通过InitObj申请的对象
  3. 应用程序使用完毕后，一般需要释放SDK申请的对象，提供了FreeObj
cpp 复制代码 
typedef void * PROGRAMER_HANDLE;

PROGRAMER_HANDLE InitObj()
{
  MemoryLeakClass* pObj = new MemoryLeakClass();
  return (PROGRAMER_HANDLE)pObj;
}

void DoSomething(PROGRAMER_HANDLE pHandle)
{
  ((MemoryLeakClass*)pHandle)->DoSomething();
}

void FreeObj(void *pObj)
{
  delete pObj;
}

看到这里，也许有读者已经发现问题所在了。上述代码在调用FreeObj的时候，delete看到的是一个void *, 只会释放对象所占用的内存，但是并不会调用对象的析构函数，那么对象内部的m_pStr所指向的内存并没有被释放，从而会导致内存泄露。修改也是自然比较简单的:

cpp 复制代码 
void FreeObj(void *pObj)
{
  delete ((MemoryLeakClass*)pObj);
}

那么一般来说，最好由相对资深的程序员去进行SDK的开发，无论从设计和实现上面，都尽量避免了各种让人泪流满满的坑。

10.Virtual destructor

C++析构函数为什么要为虚函数？_析构函数虚函数-CSDN博客

现在大家来看看这个很容易犯错的场景, 一个很常用的多态场景。那么在调用delete pObj;会出现内存泄露吗？

cpp 复制代码 
class Father
{
public:
  virtual void DoSomething()
{
    std::cout << "Father DoSomething()" << std::endl;
  }
};

class Child : public Father
{
public:
  Child()
  {
    std::cout << "Child()" << std::endl;
    m_pStr = new char[100];
  }

  ~Child()
  {
    std::cout << "~Child()" << std::endl;
    delete[] m_pStr;
  }

  void DoSomething()
{
    std::cout << "Child DoSomething()" << std::endl;
  }
protected:
  char* m_pStr;
};

void MemoryLeakVirualDestructor()
{
  Father * pObj = new Child;
  pObj->DoSomething();
  delete pObj;
}

会的，因为Father没有设置Virtual 析构函数，那么在调用delete pObj;的时候会直接调用Father的析构函数，而不会调用Child的析构函数，这就导致了Child中的m_pStr所指向的内存，并没有被释放，从而导致了内存泄露。

并不是绝对，当有这种使用场景的时候，最好是设置基类的析构函数为虚析构函数。修改如下:

cpp 复制代码 
class Father
{
public:
  virtual void DoSomething()
{
    std::cout << "Father DoSomething()" << std::endl;
  }
  virtual ~Father() { ; }
};

class Child : public Father
{
public:
  Child()
  {
    std::cout << "Child()" << std::endl;
    m_pStr = new char[100];
  }

  virtual ~Child()
  {
    std::cout << "~Child()" << std::endl;
    delete[] m_pStr;
  }

  void DoSomething()
{
    std::cout << "Child DoSomething()" << std::endl;
  }
protected:
  char* m_pStr;
};

11. 对象循环引用

看下面例子，既然为了防止内存泄露，于是使用了智能指针shared_ptr；并且这个例子就是创建了一个双向链表，为了简单演示，只有两个节点作为演示，创建了链表后，对链表进行遍历。

那么这个例子会导致内存泄露吗?

cpp 复制代码 
struct Node
{
  Node(int iVal)
  {
    m_iVal = iVal;
  }
  ~Node()
  {
    std::cout << "~Node(): " << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }
  void PrintNode()
{
    std::cout << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }

  std::shared_ptr<Node> m_pPreNode;
  std::shared_ptr<Node> m_pNextNode;
  int m_iVal;
};

void MemoryLeakLoopReference()
{
  std::shared_ptr<Node> pFirstNode = std::make_shared<Node>(100);
  std::shared_ptr<Node> pSecondNode = std::make_shared<Node>(200);
  pFirstNode->m_pNextNode = pSecondNode;
  pSecondNode->m_pPreNode = pFirstNode;

  //Iterate nodes
  auto pNode = pFirstNode;
  while (pNode)
  {
    pNode->PrintNode();
    pNode = pNode->m_pNextNode;
  }
}

先来看看下图，是链表创建完成后的示意图。有点晕乎了，怎么一个双向链表画的这么复杂，黄色背景的均为智能指针或者智能指针的组成部分。其实根据双向链表的简单性和下图的复杂性，可以想到，智能指针的引入虽然提高了安全性，但是损失的是性能。所以往往安全性和性能是需要互相权衡的。 我们继续往下看，哪里内存泄露了呢？

如果函数退出，那么m_pFirstNode和m_pNextNode作为栈上局部变量，智能指针本身调用自己的析构函数，给引用的对象引用计数减去1(shared_ptr本质采用引用计数，当引用计数为0的时候，才会删除对象)。此时如下图所示，可以看到智能指针的引用计数仍然为1， 这也就导致了这两个节点的实际内存，并没有被释放掉， 从而导致内存泄露。

你可以在函数返回前手动调用pFirstNode->m_pNextNode.reset();强制让引用计数减去1， 打破这个循环引用。

还是之前那句话，如果通过手动去控制难免会出现遗漏的情况， C++提供了weak_ptr。

cpp 复制代码 
struct Node
{
  Node(int iVal)
  {
    m_iVal = iVal;
  }
  ~Node()
  {
    std::cout << "~Node(): " << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }
  void PrintNode()
{
    std::cout << "Node Value: " << m_iVal << std::endl;
  }

  std::shared_ptr<Node> m_pPreNode;
  std::weak_ptr<Node>    m_pNextNode;
  int m_iVal;
};

void MemoryLeakLoopRefference()
{
  std::shared_ptr<Node> pFirstNode = std::make_shared<Node>(100);
  std::shared_ptr<Node> pSecondNode = std::make_shared<Node>(200);
  pFirstNode->m_pNextNode = pSecondNode;
  pSecondNode->m_pPreNode = pFirstNode;

  //Iterate nodes
  auto pNode = pFirstNode;
  while (pNode)
  {
    pNode->PrintNode();    
    pNode = pNode->m_pNextNode.lock();
  }
}

看看使用了weak_ptr之后的链表结构如下图所示，weak_ptr只是对管理的对象做了一个弱引用，其并不会实际支配对象的释放与否，对象在引用计数为0的时候就进行了释放，而无需关心weak_ptr的weak计数。注意shared_ptr本身也会对weak计数加1.

那么在函数退出后，当pSecondNode调用析构函数的时候，对象的引用计数减一，引用计数为0，释放第二个Node，在释放第二个Node的过程中又调用了m_pPreNode的析构函数，第一个Node对象的引用计数减1，再加上pFirstNode析构函数对第一个Node对象的引用计数也减去1，那么第一个Node对象的引用计数也为0，第一个Node对象也进行了释放。

如果将上述代码改为双向循环链表，去除那个循环遍历Node的代码，那么最后Node的内存会被释放吗？这个问题留给读者。

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