c++内存管理

内存管理是c++和其他OOP（面向对象）语言的根本区别，熟知c++的内存管理至关重要

1.分配方式简介

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，函数内局部变量，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，malloc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free。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new等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用delete来结束自己的生命的，自由存储是C++中通过new与delete动态分配和释放对象的抽象概念。
• 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。

1.1 堆栈区别

主要的区别由以下几点：

1. 管理方式不同。栈系统管理，堆程序员控制，容器产生内存泄漏(memory leak)
2. 空间大小不同。堆大，栈小。栈可以 设置
3. 能否产生碎片不同。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。栈是先进后出，内存永远是连续的
4. 生长方向不同。堆向上生长（内存地址增加的），栈向下生长（向着内存地址减小的方向增长）
5. 分配方式不同。堆：动态分配，没有静态分配。栈：静态分配，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alloca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。
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，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。

1.2 常见的内存错误及其对策

• 内存分配未成功，却使用了它。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。赋初值
• 内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。测试覆盖
• 忘记了释放内存，造成内存泄露。内存泄漏检测工具
• 释放了内存却继续使用它。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”

1.3 有了malloc/free为什么还要new/delete？

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。

new/delete：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

以下示例展示了malloc和new对于构造函数的是否触发

#include 

using namespace std;

class A {
public:
    A() {        cout << "construct" << endl;    }
    virtual ~A() {        cout << "destruct" << endl;    }
    void print() {        cout << "hello world" << endl;    }
};

int main()
{    
    {
        A a;
        a.print();
    }
    cout << "--stack--" << endl;
    {
        A* b = new A;
        b->print();
        delete b;
        b = nullptr;
    }
    cout << "--heap with new--" << endl;
    {
        A* c = (A*)malloc(sizeof(A));
        c->print();
        free(c);
        c = nullptr;
    }
    cout << "--heap with malloc--" << endl;
    return 0;
}

输出

construct
hello world
destruct
--stack--
construct
hello world
destruct
--heap with new--
hello world
--heap with malloc--

1.4 内存耗尽怎么办

• 判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数
• 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
• 为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander函数为new设置用户自己定义的异常处理函数，也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。

2. 内存管理升级 tcmalloc

tcmalloc就是一个内存分配器，管理堆内存，主要影响malloc和free，用于降低频繁分配、释放内存造成的性能损耗，并且有效地控制内存碎片。glibc中的内存分配器是ptmalloc2，tcmalloc号称要比它快

2.1 优化点

• tcmalloc特别对多线程做了优化，对于小对象的分配基本上是不存在锁竞争，而大对象使用了细粒度、高效的自旋锁（spinlock）
• 分配给线程的本地缓存，在长时间空闲的情况下会被回收，供其他线程使用，这样提高了在多线程情况下的内存利用率，不会浪费内存，而这一点ptmalloc2是做不到的
• tcmalloc为每个线程分配了一个线程局部的cache，线程需要的小对象都是在其cache中分配的，由于是thread local的，所以基本上是无锁操作（在cache不够，需要增加内存时，会加锁）
• tcmalloc维护了进程级别的cache，所有的大对象都在这个cache中分配，由于多个线程的大对象的分配都从这个cache进行，所以必须加锁访问

在实际的程序中，小对象分配的频率要远远高于大对象，通过这种方式（小对象无锁分配，大对象加锁分配）可以提升整体性能。

线程级别cache和进程级别cache实际上就是一个多级的空闲块列表（Free List）。一个Free List以大小为k bytes倍数的空闲块进行分配，包含n个链表，每个链表存放大小为nk bytes的空闲块。在tcmalloc中，<=32KB的对象被称作是小对象，>32KB的是大对象。在小对象中，<=1024bytes的对象以8n bytes分配，10251025则浪费127bytes。而大对象是以页大小4KB进行对齐的，最多会浪费4KB - 1 bytes。

FreeList

 

tcmalloc流程