C++内存分布及用法

一、内存基础

1、内存分布

通过下面一张图看看C++的内存分布：

栈区：由编译器自动分配与释放，存放为程序运行时函数分配的局部变量、函数参数；栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配内存的容量有限；

堆区：由new、malloc分配的内存块，释放由应用程序控制，不需要编译器释放；如果程序员没有对该内存进行释放，程序结束后系统自动回收，堆的地方比栈大很多；

静态区：存放的是static的静态变量和一些全局变量，特点是只读、大小固定；静态变量和全局变量的存储期是一起的，一旦静态区的内存被分配，要一直等到程序全部结束后才释放；

2、栈区与堆区的区别

1、分配方式不同：栈区系统分配系统回收；堆区由程序员手动申请，需要求程序员自行回收，如果没有回收，系统在程序结束后会进行回收，这种情况会造成内存泄漏；

2、生命周期不同：栈区生命周期是系统分配到系统回收，也就是在大括号内；堆区是从申请到释放；

3、效率不同：主要原因是地址空间是否连续，栈区地址空间是连续的，效率会高一些；堆区地址空间不连续，需要遍历链表才能找到最近的地址，效率会低一些；

4、内存碎片：堆区容易产生内存碎片，栈区不会；

5、生长方向不同：栈区申请空间的地址（表示地址的八个十六进制数）是从大到小的，堆区申请空间地址是从小到大的。栈区是先进后出的原则，类比栈结构的特点；

• 栈区特点：更好的局部性，对象自动销毁；
• 堆区特点：运行期动态扩展，需要显示释放；

注意点：申请的空间是在堆区，变量本身是在栈区！

二、内存分配

1、内存分配方式

可操作的内存分配：

• 静态存储区分配：static静态变量、全局变量；
• 栈上分配：局部变量；
• 堆上分配：new、malloc进行内存分配；

不可操作的内存分配：

内核区、代码区、局部变量的分配也属于系统分配；

2、new的用法

C++中通常使用new、delete来构造和销毁对象；

使用new创建对象，返回的是对象的首地址，需要用指针接收：

对象的构建和销毁分为两步：分配内存、所分配内存上构造对象（销毁与之类似）；

new的几种常见形式：

• new int(2) ：构造单一对象、new int[5]：构造数组；
• nothrow new：标准库定义，解决内存分配失败异常的问题；
• placement new：使用已经创建的内存，跳过分配内存；
• new auto；

3、delete用法

根据分配的是单一对象还是数组，采用相应的方式销毁；

不能delete一个非new返回的内存（也就是栈内存）；
delete nullptr是可被允许的；
同一块内存不能delete多次；

4、new与malloc的区别

  new不需要指定分配多大，malloc使用的时候必须指定大小；new的底层实现就是malloc，两者都必须释放内存，不否则容易造成野指针或内存泄漏。需要注意一点，释放内存后需设置相关指针为空指针；

总结：

• 属性：new为关键字（编译器），malloc是库函数（需引入头文件）；
• 参数：new无需指定大小，malloc需指定大小；
• 返回类型：new返回对象指针，malloc返回void*；
• 对于自定义的类：new会调用构造和析构函数，malloc不会调用构造和析构函数；
• 分配失败：new会抛出异常，malloc会返回空；

5、内存泄漏

是指由于疏忽或错误造成程序未能释放掉不再使用的内存的情况，内存泄漏并非指内存在物理上的小时，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，失去该段内存的控制从而造成内存浪费；

可能的原因：

• 1、申请后未释放（最常见）
• 2、void* 指针的释放
• 3、new[] 回收时没有用delete[] ，数组的回收要注意

三、内存拓展

1、内存概念

  计算机重要部件之一，是外存与CPU进行沟通的桥梁。计算机所有程序都是在内存运行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存也称为内存储器和主存储器，作用是暂时存放CPU的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据；

寻址空间：保存内存地址的多少，通常我们说的4G内存，就表示计算机能保存2的32次方个地址，也就是能找到这些地址上的二进制信息；

寻址能力：每个地址里能存多少个bit，现在的计算机大多数是16位机器了；

2、虚拟内存

使得系统运行实际的内存空间比想象的大得多，虚拟内存是可以远大于物理内存的，同时主要为了使程序运行的时候可以不限制于只访问内存大小，可以通过虚拟内存地址去访问磁盘空间；

每一个进程虚拟内存都是独立的，独立的享有计算机的内存。虚拟内存地址的大小是与地址总线位数相关，物理内存地址的大小是与物理内存条的容量与磁盘容量相关。

四、思考

1、代码中的b属于栈区还是堆区？

b是在栈区的变量，由于b是一个局部变量，随着函数域 的结束被释放，不需要程序员自行释放，尽管b使用new进行初始化，还是可以认为分配在栈区；

总结：

本次系统的从内存的基础概念到内存分配进行了讲解，内存是我们开发中最重要的一部分，往往逻辑上的错误就会造成内存泄漏，导致程序无法运行。或者一些分配内存的方式不够细心，也会造成冗余内存的使用。在目前的很多嵌入式板子上，针对内存的接口是必备的，往往也都是基于malloc修改；
还有一点需要注意，不管任何机器上运行程序，操作的都是虚拟内存，内部通过页表定位到对应的物理内存。关于硬件方面的本质，如果做嵌入式端的话需要深入研究。

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