秋招面经总结—C++内存管理

2、C++内存管理

2.1、内存分区

​ 原文链接：C/C++内存管理详解 | ShinChan’s Blog (chenqx.github.io)

​ 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：如果说堆是操作系统维护的一块内存，那么自由存储区就是C++中通过new和delete动态分配和释放对象的抽象概念。需要注意的是，自由存储区和堆比较像，但不等价。

​ 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，全局变量和静态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，它们共同占用同一块内存区，在该区定义的变量若没有初始化，则会被自动初始化，例如int型变量自动初始为0

​ 常量存储区：这是一块比较特殊的存储区，这里面存放的是常量，不允许修改

​ 代码区：存放函数体的二进制代码

2.2、堆和栈

1、堆与栈的区别

	堆	栈
管理方式	堆中资源由程序员分配，速度慢，有碎片	栈由系统分配，速度快，不会存在碎片
内存管理机制	系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序申请时，遍历该链表，寻找第一个空间大于申请空间的堆结点，删除空闲结点链表中的该结点，并将该结点空间分配给程序	只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统为程序提供内存，否则，异常：栈溢出
空间大小	堆是不连续的内存区域（系统用链表来存储空闲内存地址，不连续），堆大小受限于计算机系统中的有效的虚拟内存（32位 -> 4G）,堆内存空间灵活，空间大	栈是一块连续的内存区域，大小由操作系统设置，windows下一般2M。可以通过ulimit -a查看，由ulimit -s修改
碎片问题	堆中要频繁new / delete 会造成大量碎片，使程序效率降低	对于栈，它是有点类似于数据结构上的一个先进后出的栈，进出一一对应，不会产生碎片。
生长方向	堆向上，向高地址方向增长	栈向下，向低地址方向增长
分配方式	堆都是动态分配（没有静态分配的堆）	栈有静态分配和动态分配，静态分配由编译器完成（如局部变量分配），动态分配由alloca函数分配（编译器释放）
分配效率	堆由C/C++函数库提供，机制很复杂。在分配堆内存的时候需要一定的算法寻找合适大小的内存，并且获取堆的内容需要两次访问，第一次访问指针，第二次根据指针保存的地址访问内存，因此堆比较慢。	栈是其系统提供的数据结构，计算机载底层对栈提供支持，分配专门寄存器存放栈地址，栈操作有专门的指令，且入栈和出栈比较简单。

2、为什么栈的速度比堆快？底层如何实现的？

• 申请速度快：栈是程序运行前就已经分配好的空间，所以运行时分配几乎不需要时间。而堆是运行时malloc动态申请的 ，调用brk/sbrk 系统调用函数控制堆顶_edata往高地址方向变化，相当于将分配内存的耗时由编译阶段转嫁到了机器运行阶段，将分配过程从编译器搬到了运行的代码中。于是动态分配的速度不仅与分配算法有关，还与机器运行速度有关。 且malloc还需要动态的回收垃圾空间，一定程度上影响运行速度。

  • （栈是编译时分配空间，而堆是动态分配（运行时分配空间），所以栈的申请速度快）

• 存储寻址速度快：栈的物理地址空间是连续的，而堆未必，查找堆的链表也会耗费较多时间，所以存储寻址速度慢。

• CPU硬件操作速度快：cpu有专门的寄存器(rsp，rbp）来操作栈，堆是使用间接寻址的，所以栈快。

• 硬件支持不同：栈是在一级缓存中做缓存的, 而堆则是在二级缓存中, 两者在硬件性能上差异巨大

  原文链接：https://blog.csdn.net/h2517956473/article/details/115317689

3、为什么不能多使用栈？

​ 栈的地址空间必须连续，如果任其任意成长，会给内存管理带来困难。对于多线程程序来说，每个线程都必须分配一个栈，因此没办法让默认值太大。

4、栈的底层原理：汇编？

//举个栗子：实现两个数相加
int my_add(int a, int b)
{
	int z = a + b;
	return z;
}
 
int main()
{
	int a = 0XAAAAAAAA;
	int b = 0xFFFFFFFF;
	int add = my_add(a,b);
	cout << add << endl;
	return 0;
}

1）栈帧

​ 机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。而为单个过程分配的那部分栈称为帧栈；帧栈可以认为是程序栈的一段，它有两个端点，一个标识起始地址，一个标识着结束地址，两个指针结束地址指针esp，开始地址指针ebp;

2）指针移动

​ 由一系列栈帧构成，这些栈帧对应一个过程，而且每一个栈指针+4的位置存储函数返回地址；每一个栈帧都建立在调用者的下方，当被调用者执行完毕时，这一段栈帧会被释放。由于栈帧是向地址递减的方向延伸，因此如果我们将栈指针减去一定的值，就相当于给栈帧分配了一定空间的内存。如果将栈指针加上一定的值，也就是向上移动，那么就相当于压缩了栈帧的长度，也就是说内存被释放了。

3）函数调用过程实现

• 备份原来的帧指针，调整当前的栈帧指针到栈指针位置；
• 建立起来的栈帧就是为被调用者准备的，当被调用者使用栈帧时，需要给临时变量分配预留内存；
• 使用建立好的栈帧，比如读