c++内存泄漏和内存碎片

内存泄漏

一般我们常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的，大小任意的（内存块的大小可以在程序运行期决定），使用完后必须显示释放的内存。应用程序一般使用malloc，realloc，new等函数从堆中分配到一块内存，使用完后，程序必须负责相应的调用free或delete释放该 内存块，否则，这块内存就不能被再次使用，我们就说这块内存泄漏了。

对于C和C++这种没有Garbage Collection 的语言来讲，我们主要关注两种类型的内存泄漏：

堆内存泄漏（Heap leak）：对内存指的是程序运行中根据需要分配通过malloc,realloc new等从堆中分配的一块内存，再是完成后必须通过调用对应的 free或者delete 删掉。如果程序的设计的错误导致这部分内存没有被释放，那么此后这块内存将不会被使用，就会产生Heap Leak.

系统资源泄露（Resource Leak）：主要指程序使用系统分配的资源比如 Bitmap,handle ,SOCKET等没有使用相应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能降低，系统运行不稳定。

内存碎片

1 什么是内存碎片

内存碎片—描述一个系统中所有的不可用的空闲内存；这些资源之所以仍然未被使用，是因为负责分配内存的分配器使这些内存无法使用。这一问题通常都会发生，原因在于空闲内存以小而不连续方式出现在不同的位置。由于分配方法决定内存碎片是否是一个问题，因此内存分配器在保证空闲资源可用性方面扮演着重要的角色。

2 内存碎片产生的原因

原因在与空闲内存以小而不连续的方式出现在不同的位置(内存分配较小，并且分配的这些小的内存生存周期又较长，反复申请后将产生内存碎片的出现)。内存分配程序浪费内存的基本方式有三种：即额外开销、内部碎片以及外部碎片。内存分配程序需要存储一些描述其分配状态的数据。这些存储的信息包括任何一个空闲内存块的位置、大小和所有权，以及其它内部状态详情。一般来说，一个运行时间分配程序存放这些额外信息最好的地方是它管理的内存。内存分配程序需要遵循一些基本的内存分配规则。例如，所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除（视处理器体系结构而定）的地址。内存分配程序把仅仅预定大小的内存块分配给客户，可能还有其它原因。当某个客户请求一个 43 字节的内存块时，它可能会获得 44字节、48字节 甚至更多的字节。由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
外部碎片的产生是当已分配内存块之间出现未被使用的差额时，就会产生外部碎片。例如，一个应用程序分配三个连续的内存块，然后使中间的一个内存块空闲。内存分配程序可以重新使用中间内存块供将来进行分配，但不太可能分配的块正好与全部空闲内存一样大。倘若在运行期间，内存分配程序不改变其实现法与四舍五入策略，则额外开销和内部碎片在整个系统寿命期间保持不变。虽然额外开销和内部碎片会浪费内存，因此是不可取的，但外部碎片才是嵌入系统开发人员真正的敌人，造成系统失效的正是分配问题。

2.1 动态内存分配问题

内存分配有静态分配和动态分配两种：静态分配在程序编译链接时分配的大小和使用寿命就已经确定，而应用上要求操作系统可以提供给进程运行时申请和释放任意大小内存的功能，这就是内存的动态分配。
因此动态分配将不可避免会产生内存碎片的问题，那么什么是内存碎片？内存碎片即“碎片的内存”描述一个系统中所有不可用的空闲内存，这些碎片之所以不能被使用，是因为负责动态分配内存的分配算法使得这些空闲的内存无法使用，这一问题的发生，原因在于这些空闲内存以小且不连续方式出现在不同的位置。因此这个问题的或大或小取决于内存管理算法的实现上。

为什么会产生这些小且不连续的空闲内存碎片呢？
实际上这些空闲内存碎片存在的方式有两种：a.内部碎片 b.外部碎片。
内部碎片的产生：因为所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除（视处理器体系结构而定）的地址或者因为MMU的分页机制的限制，决定内存分配算法仅能把预定大小的内存块分配给客户。假设当某个客户请求一个 43 字节的内存块时，因为没有适合大小的内存，所以它可能会获得 44字节、48字节等稍大一点的字节，因此由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
外部碎片的产生： 频繁的分配与回收物理页面会导致大量的、连续且小的页面块夹杂在已分配的页面中间，就会产生外部碎片。假设有一块一共有100个单位的连续空闲内存空间，范围是0-99。如果你从中申请一块内存，如10个单位，那么申请出来的内存块就为0-9区间。这时候你继续申请一块内存，比如说5个单位大，第二块得到的内存块就应该为10-14区间。如果你把第一块内存块释放，然后再申请一块大于10个单位的内存块，比如说20个单位。因为刚被释放的内存块不能满足新的请求，所以只能从15开始分配出20个单位的内存块。现在整个内存空间的状态是0-9空闲，10-14被占用，15-24被占用，25-99空闲。其中0-9就是一个内存碎片了。如果10-14一直被占用，而以后申请的空间都大于10个单位，那么0~9就永远用不上了，变成外部碎片。

2.2 系统内存回收机制问题

内存碎片是一个系统问题，反复的malloc和 free，而free后的内存又不能马上被系统回收利用。这个与系统对内存的回收机制有关。

3 内存碎片的弊端与优点

缺点：
大量的内存碎片会使系统缓慢，原因在于虚拟内存的使用会使内存与硬盘之间的数据交换称为系统 缓慢的根源,最终造成内存的枯竭!

优点：
减少内存碎片，提高分配速度，便于内存管理，防止内存泄露

4 如何避免内存碎片的产生

1 少用动态内存分配的函数(尽量使用栈空间，少使用堆上的内存空间
)

2 分配内存和释放的内存尽量在同一个函数中

3 尽量一次性申请较大的内存2的指数次幂大小的内存空间，而不要反复申请小内存(少进行内存的分割)

4 使用内存池来减少使用堆内存引起的内存碎片，也就是自己一次申请一块足够大的空间，然后自己来管理，用于大量频繁地new/delete操作。

5 内存管理系统将能够及时合并相邻空闲内存块，得到更大的空闲内存。

6 尽可能少地申请空间。