C/C++内存管理必知必会

C/C++内存管理必知必会

1.C语言三种内存分配方式

• 静态存储区分配
• 栈上分配
• 堆上分配

静态存储区也称为全局数据区，包含的数据类型比较多，有全局变量、静态变量、一般常量、字符常量等。其内存分配在程序的整个运行期间都存在，其内存在程序结束后才释放。

栈区，用于存放函数的参数值，局部变量的值等。其在函数执行时，函数内部的局部变量的存储单元会在栈上创建，等函数执行结束后，这些存储单元会自动释放。

堆区，一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，等程序运行结束后由操作系统自动回收。malloc和free等函数操作的就是这块内存。

2. 堆与栈的区别

堆与栈主要区别有：

1. 内存申请方式上

• 栈：由系统自动分配。例如在声明函数的一个局部变量int b，系统自动在栈中为b开辟空间。
• 堆：需要程序员自己申请。C语言中用malloc函数，需指明大小；C++用new运算符，不需要自己指明大小

2. 内存申请大小的限制

• 栈：栈空间很有限。其中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。如果申请的空间超过栈的剩余空间时将会提示overflow。
• 堆：堆是一个很大的自由存储区，空间比栈的空间大很多，其大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。

3. 内存的数据结构

• 栈：栈是由高地址向地址拓展的数据结构，是一块连续的内存区域。
• 堆：堆是高地址拓展的数据结构，且不连续的内存区域。这是因为系统是用链表来存储空闲的内存地址，自然是不连续的，且链表的遍历方向是由低地址向高地址的。当系统收到程序的申请时，就会遍历链表，需要一个空间大于所申请空间的堆节点，然后再将节点从内存空闲节点链表中删除，将该节点的空间分配给程序。

4. 申请效率

• 栈：栈是由系统自动分配的，速度较快，程序员无法控制。
• 堆：堆是由程序员使用malloc或new来主动申请，系统收到申请后再分配空间。其速度比较慢，且容易产生内存碎片。

5. 存储内容

• 栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中下一条指令的地址（函数调用的下一个可执行语句），然后是函数的各个参数进栈，在C语言编译器中，函数参数是由右向左进栈的；接着的是函数的局部变量。注意静态变量是不入栈的。
• 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自己安排。

4. C语言参数压栈顺序

压栈顺序是自右向左的。

该入栈方式有个好处就是可以动态变化参数的个数。通过栈堆分析可知，自左向右的入栈方式，最前面的参数被压在栈底。除非知道参数个数，否则是无法通过栈指针的相对位移求得最左边的参数。这样就变成了左边参数的个数不确定，正好和动态参数个数的方向相反。因此采用该入栈方式主要原因是为了支持可变长参数形式。

5. C语言中栈的作用

1. C语言中用栈来存储临时变量，临时变量包括函数参数和函数内部定义的临时变量。在函数调用中，和函数调用相关的函数返回地址，函数中的临时变量、寄存器均保存在栈中。
2. 栈是多线程编程的基础、基石。每个线程都最少有一个专属自己的栈，用来存储本线程运行时各个函数的临时变量和保护现场运行场景。操作系统最基本功能是支持多线程编程，支持中断和异常处理，中断和异常处理也具有专属的栈，因此栈也是操作系统多线程管理的基石。

6.C++内存管理

• 栈区(stack):由编译器自动分配和释放，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。
• 堆区(heap):一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。它与数据机构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。
• 全局区(静态区)(static):全局变量和静态变量的存储是放在一起的，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外一块区域。程序结束后由系统释放。
• 文字常量区:常量字符串就是放在这里。程序结束后由系统释放。
• 程序代码区:存放函数体的二进制代码

而在C++中，虚拟内存可以分为代码段、数据段、BSS段、堆区、文件映射区及栈区六部分

• 代码段：包括只读存储区和文本区，只读存储区存储有字符串常量，文本区存储程序的机器代码
• 数据段：存储程序中已经初始化过的全局变量和静态变量
• BBS段：存储未初始化过的全局变量和静态变量，以及所有被初始化为0的全局变量和静态变量
• 堆区：调用new/malloc时在堆区动态分配内存，同时需要调用delete/free来手动释放申请的内存
• 文件映射区：存储动态链接库和调用mmap函数（内存映射函数）进行的文件映射
• 栈：使用栈空间存储函数返回地址、参数、局部变量、返回值

7.内存泄漏

7.1 什么是内存泄漏

内存泄漏简单点说，就是申请了一块内存，使用完毕后没有释放掉它。
内存泄漏现象一般表现为程序运行时间越长，占用的内存越来越多，最终将用尽内存，导致整个系统崩溃。如果程序申请了一块内存，却没有任何一个指针去指向它，管理它，那么这块内存就泄漏了。

7.2 检测和避免内存泄漏

其实内存泄漏的原因可以概括为：调用了malloc/new等内存申请的操作，但缺少了对应的free/delete。
避免内存泄漏的方法可以总结：

1. 程序员要养成良好编程习惯，保证malloc/new和free/delete匹配
2. 将分配的内存的指针以链表的形式自我管理，使用完毕后从链表中删除，程序结束时可检查链表中是否有内存没释放
3. 使用一些工具插件用于检查malloc/new和free/delete是否匹配
4. 使用Boost中的智能指针