c/c++内存问题

1.内存问题的原因及分类

在c/c++程序中，有关内存使用的问题是最难发现和解决的。这些问题可能导致程序莫名其妙的停止、崩溃，或者不断消耗内存直至资源耗尽。由于c/c++语言本身的特质和历史原因，程序员使用内存需要注意的事项较多，而且语言本身也不提供类似Java的垃圾清理机制。编程人员使用一定的工具来查找和调试内存有关的问题是十分必要的。

总的说来，与内存有关的问题可以分成两类：内存访问错误和内存使用错误。内存访问错误包括错误地读取内存和错误地写内存。错误地读取内存可能让你的模块返回意想不到的结果，从而导致后续的模块运行异常。错误地写内存可能导致系统崩溃。内存使用方面的错误主要是指申请的内存没有正确释放，从而使程序运行逐渐减慢，直至停止。这方面的错误由于表现比较慢很难被人工察觉。程序也许运行了很久才会耗净资源，发生问题。

1.1 内存解剖

　　一个典型的C++内存布局情况:自低向上

　　堆  区:存放的是动态的去申请的内存空间

    栈  区:存放用户的临时变量，但不包括static关键字修饰的变量。

    BSS区:存放的是没有初始化的全局变量，在BSS区中的数据默认置0；(默认不记)

　　数据区:存放定义的数据。存放初始化了的全局变量，和静态变量。

　　代码区:存放程序的指令(指导程序一步步执行的语句)，如函数，类中的成员函数

注  意: const常量和字符串常量是储存在代码区中,并且代码区的内容具有只读性，内容不能被修改。

1.2 内存访问错误

　　相对用户使用的语言，动态内存的申请一般由malloc/new来完成，释放由free/delete完成。基本的原则可以总结为：一对一，不混用。也就是说一个malloc必须对应一且唯一的free；new对应一且唯一的delete;malloc不能和delete, new不能和free对应。另外在C++中要注意delete和delete[]的区别。delete用来释放单元变量，delete[]用来释放数组等集聚变量。有关这方面的详细信息可以参考[C++Adv]。

 

    内存访问错误分类:数组越界读或写、访问未初始化内存、访问已经释放的内存和重复释放内存或释放非法内存。

 

下面的代码集中显示了上述问题的典型例子：

 #include<iostream>

 using namespacestd;

 int main()

 {

    char* str1="four";

    char* str2=new char[4];                 //not enough space

    char*str3=str2;

    cout<<str2<<endl;                       //UMR访问未初始化内存错误

   strcpy(str2,str1);                      //ABW数组越界写

   cout<<str2<<endl;                       //ABR数组越界读

    delete str2;

　　str2[0]+=2;                             //FMRand FMW

　　delete str3;                            //FFM释放了已经被释放的空间

}

 

    由以上的程序，我们可以看到：在第5行分配内存时，忽略了字符串终止符"\0"所占空间导致了第8行的数组越界写（Array Bounds Write）和第9行的数组越界读（Array Bounds Read）; 在第7行，打印尚未赋值的str2将产生访问未初始化内存错误（Uninitialized Memory Read）;在第11行使用已经释放的变量将导致释放内存读和写错误(Freed Memory Readand Freed Memory Write)；最后由于str3和str2所指的是同一片内存，第12行又一次释放了已经被释放的空间 (Free Freed Memory)。

 

    这个包含许多错误的程序可以编译连接，而且可以在很多平台上运行。但是这些错误就像定时炸弹，会在特殊配置下触发，造成不可预见的错误。这就是内存错误难以发现的一个主要原因。

 

1.3 内存使用错误

　　内存使用错误主要是指内存泄漏，也就是指申请的动态内存没有被正确地释放，或者是没有指针可以访问这些内存。这些小的被人遗忘的内存块占据了一定的地址空间。当系统压力增大时，这些越来越多的小块将最终导致系统内存耗尽。内存使用错误比内存访问错误更加难以发现。这主要有两点原因：第一，内存使用错误是" 慢性病"，它的症状可能不会在少数、短时间的运行中体现；第二，内存使用错误是因为"不做为"（忘记释放内存）而不是"做错"造成的。这样由于忽略造成的错误在检查局部代码时很难发现，尤其是当系统相当复杂的时候。

c/c++内存划分:

一、一个经过编译的C/C++的程序占用的内存分成以下几个部分：

　　1、堆区（heap） ：一般由程序员手动申请以及释放，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，分配方式类似于链表。

    2、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，至函数的调用过程都是用栈来完成。其操作方式类似于数据结构中的栈。

　　3、BSS区: 存放未初始化的全局变量和未初始化的静态变量。

　　4、全局区（静态区）（static）：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空间。

　　5、程序代码区：存放函数体的二进制代码，常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放空间

 

 

 

　　下面的例子可以完全展示不同的变量所占的内存区域：

　　//main.cpp

　　int a = 0;                                          //全局初始化区

　　char *p1;                                           //全局未初始化区

　　main()

　　{

　　int b;                                              //栈中

    char s[] ="abc";                                   //栈中

　　char *p2;                                           //栈中

　　char *p3 = "123456";                                //123456\0在常量区

　　static int c =0；                                   //全局（静态）初始化区

　　p1 = (char *)malloc(10);        //以下分配得到的10和20字节的区域就在堆区

　　p2 = new char[20];//(char *)malloc(20);

strcpy(p1, "123456");           //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

　　}

 

二、栈（stack）和堆（heap）具体的区别。

　　1、在申请方式上

　　栈（stack）: 现在很多人都称之为堆栈，这个时候实际上还是指的栈。它由编译器自动管理，无需我们手工控制。例如，声明函数中的一个局部变量 int b 系统自动在栈中为b开辟空间；在调用一个函数时，系统自动的给函数的形参变量在栈中开辟空间。

　　堆（heap）: 申请和释放由程序员控制，并指明大小。容易产生memory leak。

在C中使用malloc函数。

　　如：p1 = (char *)malloc(10);

　　在C++中用new运算符。

　　如：p2 = new char[20];//(char *)malloc(10);

　　但是注意p1本身在全局区，而p2本身是在栈中的，只是它们指向的空间是在堆中。

　　2、申请后系统的响应上

　　栈（stack）: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（heap）: 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。另外，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或free语句才能正确的释放本内存空间。另外，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（stack）: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。例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。

 

　　注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。

 

　　堆（heap）: 堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域（空闲部分用链表串联起来）。正是由于系统是用链表来存储空闲内存，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。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。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

 

　　4、分配空间的效率上

 

　　栈（stack）: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。但程序员无法对其进行控制。

 

　　堆（heap）:是C/C++函数库提供的，由new或malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片。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。这样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。显然，堆的效率比栈要低得多。

 

　　5、堆和栈中的存储内容

 

　　栈（stack）:在函数调用时，第一个进栈的是主函数中子函数调用后的下一条指令（子函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是子函数的各个形参。在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是子函数中的局部变量。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，也就是主函数中子函数调用完成的下一条指令，程序由该点继续运行。

 

　　堆（heap）: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

 

　　这个应该是显而易见的。拿栈上的数组和堆上的数组来说：

 

　　void main()

　　{

　　int arr[5]={1,2,3,4,5};                     //栈上的数组

　　int *arr1;                                  //arr1在栈区，指向堆区数组

　　arr1=new int[5];

　　for (int j=0;j<=4;j++)

　　{

　　arr1[j]=j+6;

　　}

　　int a=arr[1];

　　int b=arr1[1];

}

　　上面代码中，arr1（局部变量）是在栈中，但是指向的空间确在堆上，两者的存取效率，当然是arr高。因为arr[1]可以直接访问，但是访问arr1[1]，首先要访问数组的起始地址arr1，然后才能访问到arr1[1]。

 

　　总而言之，言而总之：

 

　　堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：

　　使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（声明变量）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。

　　使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。