c++内存管理.docx

C++ 内存管理之一（变量）

本章主要介绍几个概念
（1）变量和常量
变量的基本类型：bool、char、int、short、long、float、double，注意个变量的所占的字节数。
常量分类：宏常量、const常量、字符串常量，注意宏常量和cons常量之间的区别。
#define MAX 100 //宏常量
const int MAX = 100; // C++ 语言的const常量
char *p="hello world"; //字符串常量
（2）全局变量和静态变量
全局变量：静态存储方式，具有全局作用域。全局变量只需在一个源文件中定义，就可以作用于所有的源文件，要用extern 关键字再次声明这个全局变量。
静态变量：静态存储方式，其由于作用域不同而分为静态全局变量和静态局部变量。静态全局变量作用于其定义它的源文件里，不能作用到其它源文件，即被 static关键字修饰过的变量具有文件作用域。静态局部变量只对定义自己的函数体始终可见。即若全局变量加上static，可改变其作用域，不改变其内 存存储位置，而局部变量加上static，则改变其内存存储位置，不改变其作用域。
之所以也引入静态变量是因为，在函数内部定义的变量，在程序执行到它的定义处时，编译器为它在栈上分配空间，而函数在栈上分配的空间在此函数执行结 束时会释放掉，这样就产生了一个问题: 如果想将函数中此变量的值保存至下一次调用时，如何实现？ 最容易想到的方法是定义一个全局的变量，但定义为一个全局变量有许多缺点，最明显的缺点是破坏了此变量的访问范围（使得在此函数中定义的变量，不仅仅受此 函数控制）。
关于静态变量static的一个小小的测试：

#include <iostream>
using namespace std;
int Test(int a)
{
static int b=5;
b+=a;
return b;
}

int main()
{
int a=Test(10);
cout<<a<<endl;
int b=Test(20);
cout<<b<<endl;
return 0;
}

1、C++编译的程序占用的内存分类
（1）栈区（stack）：程序运行时由编译器自动分配，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。程序结束时由编译器自动释放。
（2）堆区（heap） ：在内存开辟另一块存储区域。一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
（3）全局静态区（static）：编译器编译时即分配内存。全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量　　　　　　 和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。
（4）文字常量区 ：常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放。
（5）程序代码区：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
2、内存分配方式有三种
（1）从静态存储区域分配：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
（2）在栈上创建：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。
（3）从堆上分配：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。
3、C++变量内存分布
通过程序加以说明
（1）变量分布
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运行结果：

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分析结果（debug）：
（1）变量在内存地址的分布为：栈-堆-代码区-全局静态-文字常量区
（2）同一区域的各变量按声明的顺序在内存的中依次由低到高分配空间，但栈中是由高到低的。
（3）全局变量和静态变量如果不赋值，默认为0。 栈中的变量如果不赋值，则是一个随机的数据。
（4）编译器会认为全局变量和静态变量是等同的，已初始化的全局变量和静态变量分配在一起，未初始化的全局变量和静态变量分配在另一起。
（2）函数分布
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运行结果
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结果分析：
主函数中栈的地址都要高于子函数中参数及栈地址，证明了栈的伸展方向是由高地址向低地址扩展的。主函数和子函数中静态数据的地址也是相邻的，说明程序会将已初始化的全局变量和表态变量分配在一起，未初始化的全局变量和表态变量分配在另一起。

程序变量分区中栈和堆的区别
（1）申请方式
stack: 由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。
heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在C中malloc函数，C++中是new运算符。
如p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char[10];
如p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char[20];
但是注意p1、p2本身是在栈中的。
（2）申请后系统的响应
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
堆：首先应该知道操 作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删 除，并将该结点的空间分配给程序。对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内 存空间。由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。
（3）申请大小的限制
栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大 容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因 此，能从栈获得的空间较小。
堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
（4）申请效率的比较
栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。
堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。
（5）堆和栈中的存储内容
栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数 的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然 后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。
（6）存取效率的比较
char s1[] = "a";
char *s2 = "b";
a是在运行时刻赋值的；而b是在编译时就确定的；但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 比如：
　　int　main()
     {
　　char a = 1;
　　char c[] = "1234567890";
　　char *p ="1234567890";
　　a = c[1];
　　a = p[1];
　　return 0;
　　}
　　对应的汇编代码
　　10: a = c[1];
　　00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
　　0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
　　11: a = p[1];
　　0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
　　00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
　　00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
　　第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，再根据edx读取字符，显然慢了。
（7）小结
　　堆和栈的主要区别由以下几点：
　　1、管理方式不同；
　　2、空间大小不同；
　　3、能否产生碎片不同；
　　4、生长方向不同；
　　5、分配方式不同；
　　6、分配效率不同；
　　管理方式：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。
　　空间大小：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，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。当然，这个值可以修改。
　 　碎片问题：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。对于栈来讲，则不会存在这个问 题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详 细的可以参考数据结构。
　　生长方向：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。
　　分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由malloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
　 　分配效率：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，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在 堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会 分 到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。
　　从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用， 容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最 广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址， EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量 的内存空间，还是用堆好一些。无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈 结构，产生以想不到的结果。

C++ 内存管理之四（new/delete vs malloc/free）
new/delete vs malloc/free
　　malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。 它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造 函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。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。因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符 delete。注意new/delete不是库函数。
　　既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？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

C++ 内存管理之五（数组 vs 指针）
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。但二者有着本质的区别：
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:
（1）修改内容
　 　实例1代码中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。a的内容可以改变，如a[0]= ‘X’。指针p指向常量字符串“world”（位于静态存储区，内容为world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句 p[0]= ‘X’有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。

实例1 修改数组和指针内容
char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串
p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误
cout << p << endl;

（2）内容复制与比较
　　不能对数组名进行直接复制与比较。示例2中，若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，比较b和a的内容是否相同，不能用if(b==a) 来判断，应该用标准库函数strcmp进行比较。
　　指针应用中，语句p = a 并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)+1个字符的 内存，再用strcpy进行字符串复制。同理，语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较。

实例2 数组和指针的内容复制与比较
// 数组…
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
…
// 指针…
int len = strlen(a);
char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)
…

（3） 计算内存容量
　　用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。示例3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意别忘 了’’）。指针p指向a，但是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数，相当于 sizeof(char*)，而不是p所指的内存容量。C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记住它。注意当数组作为函数的参 数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。示例7-3-3（b）中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
实例3(a) 计算数组和指针的内存容量
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节
实例3(b) 数组退化为指针
void Func(char a[100])
{
　cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
}
（4）指针参数是如何传递内存的？
　　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。示例4(a)中，Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？

实例4(a) 试图用指针参数申请动态内存
void GetMemory(char *p, int num)
{
　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
　strcpy(str, "hello"); // 运行错误
}

　　毛病出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是 _p，编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把 _p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄露一块内存，因 为没有用free释放内存。
　　如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，见示例4(b)

实例4(b) 用指向指针的指针申请动态内存
void GetMemory2(char **p, int num)
{
　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
　strcpy(str, "hello");
　cout<< str << endl;
　free(str);
}

　　由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们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4(c)

实例4(c)  用函数返回值来传递动态内存
char *GetMemory3(int num)
{
　char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num); //返回堆中的地址
　return p;
}
void Test3(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetMemory3(100);
　strcpy(str, "hello");
　cout<< str << endl;
　free(str);
}

　　用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。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4(d)

实例4(d) return语句返回指向“栈内存”的指针
char *GetString(void)
{
　char p[] = "hello world"; //返回栈中的地址
　return p; // 编译器将提出警告
}
void Test4(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetString(); // str 的内容是垃圾
　cout<< str << endl;
}

　　用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“hello world”而是垃圾。
如果把示例4(d)改写成示例4(e)，会怎么样？

实例4(e) return语句返回常量字符串
char *GetString2(void)
{
　char *p = "hello world";
　return p;
}
void Test5(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetString2();
　cout<< str << endl;
}

　　函数Test5运行虽然不会出错，但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。