C++基础内存管理讲解，如何避免常见的内存问题，堆栈内存讲解

最新推荐文章于 2025-04-05 23:46:25 发布

飞鼠_

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 编辑器

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内存管理是c++变成中很重要的一环，这是编写高效可靠c++的必要条件，这也是c++与其他高级语言最大的区别，其他的语言都提供了高级的gc机制，而c++没有这就难住了很大一部分人了，对于高手来说这是高效程序的关键，对于菜鸟这就是噩梦啊，经常出现的野指针，忘记delete的内存严重影响了运行与开发效率。

内存分区

先让我们了解一些基本知识，比如内存分区，使用new会占用那里的内存，创建普通的变量会使用哪里的，理解内存分区是避免内存错误的基础。下面我们分析几种典型的内存问题及其解决方案，下面是c++的四个内存分区：

栈：存储局部变量、函数参数、函数返回地址等。这一部分是我们创建局部变量使用的内存，c++会自动管理这个区域，创建变量时自动创建内存，变量的生命周期解释就会自动释放内存
堆：这一部分就是通过new分配的内存，需要用户手动管理内存的生成会释放，如果我们没有释放分配的内存，程序结束运行后操作系统会收回内存
全局/静态存储区：存储全局变量、静态变量（包括类的静态成员变量）。
常量区：存储字符串常量和编译期确定的 const 常量，常量区的内存为只读，修改字符串常量或编译期 const 变量会导致未定义行为（如程序崩溃）。
通过下面的代码，我们再对四个分区加深印象

int global_var = 1; // 全局变量 全局/静态存储区
int main(){
    int a = 10; //局部变量 栈内存
    int *p = new int(20); //这里占用了堆栈两个内存，p这个指针是栈，而p指向的内存是堆
    const int b = 30; //常量 常量区
    const char *str = "hello world"; //字符串常量 常量区
    static int s_var = 15; // 静态局部变量 全局/静态存储区
    delete p; //释放堆内存

    return 0;
}

栈与堆是我们最常用的分区，我们再来详细的说明一下他们，栈是 LIFO（后进先出）的线性数据结构，在cpu寄存器中会有一个栈指针指向当前栈顶，这确保了栈极高的内存分配速度与非常快的访问速度，因为栈这种数据结构是先进后出的，保证不对出现之间一部分为空的情况，所有这避免了内存碎片的出现。
不过栈本身的空间是很小，Linux 默认线程栈大小通常为 8MB，Windows 为 1MB。，不过可以通过编译器的命令来修改，这就导致了我们需要特别注意，递归深度过大或局部变量占用过多栈空间（如大数组）导致的崩溃，这也叫做栈溢出。

堆是程序运行时管理的动态内存区域，通过操作系统的虚拟内存机制分配连续的虚拟地址空间（物理内存可能分散），可以理解为一个连续且超级大的数组，堆的虚拟地址连续，但物理内存可能分散（由 MMU 通过页表映射），程序仅操作虚拟地址，无需关心物理内存分布。
当我们想要分配内存时，操作系统会找到一块合适的内存区域进行分配，堆内存分配需要满足两个条件：内存区域必须是连续的，且大小必须大于等于请求的大小，由于每次分配内存都需要找到合适的区域，这大大降低了内存分配的速度，并且堆区的内存分配与释放是不规律的，这就导致了会出现内存碎片，影响内存的使用率，当堆空间不足时，可以通过系统调用（如 Linux 的 sbrk 或 Windows 的 VirtualAlloc）向操作系统申请更多内存。

常见的内存问题与解决方案

内存泄漏

分配内存后未释放，导致程序持续占用内存，最终可能耗尽系统资源。

void func(){
    int *p = new int(20);
}
int main(){
    for (int i = 0; i < 10; i++) func();
    return 0;
}

上面的代码，每次调用func函数会创建一个堆内存，这里没有进行delete，并且函数介绍后管理内存的指针被释放了，这就导致了分配的内存处于一种无管理的状态，我们无法使用它也无法释放，并且他会一种占用内存，严重影响了程序的效率与稳定性
我们可以使用智能指针来管理，它可以自动的获得资源并释放资源

//这样修改后，函数退出会自动释放int的内存
void func(){
    auto p = std::make_shared<int>(10);
}

我们在使用new分配内存后，一定要仔细检查是否释放了内存

野指针

野指针不是nullptr指针，而是指向“垃圾”内存的指针。一般不会错用nullptr指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。 “野指针”的成因主要有三种：

使用了没有初始化并且没有置为nullptr的指针，当创建一个没有初始化的指针时，并不会自动为nullptr

int main(){
    int *a;
    if (a) std::cout << "a is not null" << std::endl;
    else std::cout << "a is null" << std::endl;
    return 0;
}
# 输出
a is not null

指针配释放后没有被置为nullptr，被误以为是合法指针，当我们释放内存后并不会自动置为nullptr

int main(){
    Abstract1* a = new Abstract1();
    delete a;
    if (a) std::cout << "a is not null" << std::endl;
    else std::cout << "a is null" << std::endl;
    std::cout << a->myName() << std::endl;
    return 0;
}

指针的操作超越了变量的生命周期

int main(){
    Abstract1* a;
    {
        Abstract1 A;
        a = &A;
    }
    std::cout << a->myName() << std::endl;
    return 0;
}

上面三种最好的预防办法，就是遵循RAII资源获取即初始化，使用智能指针通过析构函数自动释放，并且多加注意

越界访问

访问数组或内存块外的地址，导致数据损坏或崩溃。

int* arr = new int[3];
arr[3] = 10;  // 越界写入（下标应为 0~2）

我们可以使用std::vector 或 std::array替换普通的数组，也可以手动检查边界

通过上面的几点，我强烈希望大家使用智能指针，它真的可以解决很多不必要的问题
关于RAII思想可以看下这个RAII思想