C++内存管理精讲-优快云博客

原文https://chenqx.github.io/2014/09/25/Cpp-Memory-Management/

【c++ 分区】

在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区

栈：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。

堆：就是那些由 new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个 delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

自由存储区：就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。

全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

常量存储区：这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改。

【栈和堆的区别】

[案例分析]

void f() { int* p=new int[5]; }
//在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p

VC6下的汇编代码如下
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax

释放内存：delete []p //我删除的是一个数组，编译器就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作

【区别总结】

　　(1). 管理方式不同：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
　　(2). 空间大小不同：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的。
　　(3). 能否产生碎片不同：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。
　　(4). 生长方向不同：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
　　(5). 分配方式不同：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。
　　(6). 分配效率不同：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，

【常见的内存错误及其对策】

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。
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。
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。
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）。
释放了内存却继续使用它。
规则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4：动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
规则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”。

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。

char a[] = "hello world";
char *p = "hello world";
cout<< p <<endl;

char a[] = "hello";
char b[10];
//赋值
strcpy(b, a);
if(strcmp(b,a) == 0) {...}


//指针
int len = strlen(a);
char *p =(char *)malloc(sizeof(char)*(len+1)); //为甚len +1？
strcpy(p,a);
if(strcmp(p,a)==0) //判断是否是相等的

指针参数传递：如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。应为函数中指针是原来指针的副本，所以没有用的：

void GetMemory(char *p, int num){
    p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    //方法二
    //这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡，见示例：
     return p;// 编译器将提出警告

}
void Test(void){
   //初始化指针
    char *str = NULL;
   // GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
    //方法一
    GetMemory2(&str, 100); //那么应该改用“指向指针的指针”，见示例：
   //方法二
   // 可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例：
   str = GetMemory3(100);
   strcpy(str, "hello"); //

}

有了malloc/free为什么还要new/delete

由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。

malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理，

class Obj{
    public :
　　Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
　　~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
　　void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
　　void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void){
    Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
    a->Initialize(); // 初始化
    //类Obj的函数Initialize模拟了构造函数的功能，函数Destroy模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree中，由于malloc/free不能执行构造函数与析构函数，必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与清除工作
    //这是因为C++程序经常要调用C函数，而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
    //…
    
    a->Destroy(); // 清除工作
    free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void){
    Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
    //…
    delete a; // 清除并且释放内存
}

[内存耗尽怎么办]

void Func(void){
    A *a = new A;
    if(a == NULL){
        cout << “Memory Exhausted” << endl;
        //判断指针是否为NULL，如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如：
        exit(1);
    }
    …
}