[C++知识库]C++内存

内存

一丶内存分配方式
C++中内存分为五个区，分别是栈（stack），堆（heap),自由存储区，全局/静态存储区(bss)，常量存储区

栈：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元，函数参数都可以在栈上创建，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指令集中，效率高，但分配内存容量有限。
堆：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，程序结束后，操作系统会自动回收（内存泄漏不是系统无法回收那片内存，而是你自己的应用程序无法使用那片内存。操作系统本身就有管理内存的职责，在进程结束后，操作系统会自动回收内存的）
自由存储区：就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过他是用free来结束自己的生命的
引申出来的问题：
很多编译器中new/delete都是以melloc和/free为基础实现的，那么就会引申出一个问题，自由存储区和堆相同么？
答案：堆是操作系统维护的一块内存，而自由存储时c++中通过new和delete动态分配和释放对象的抽象概念，堆和自由存储区并不等价
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

二丶堆和栈的区别

void func() {
    int* p = new int[5];
}

在这条语句里，看到了new就想到分配了一块堆内存，而指针p分配了一块栈内存。这句话的意思是，在栈内存中存放了一个指向对内存的指针p

堆和栈的区别主要分为以下六点：
1.管理方式不同：
对于栈来说，是编译器自动管理的，不需要我们手动控制
对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏
2.空间大小：
一般在32位系统下，堆内存可以达到4g空间
对于栈来说，一般是有一定的空间大小，vc下面栈的空间默认1M（可以通过编译器设置修改）
3.碎片问题：
对于堆来说，频繁的new/delete势必会造成内存空间不连续，从而造成大量碎片，使程序效率降低
对于栈来说，不会存在这个问题，因为栈使先进后出的队列，他们一一对应，永远不可能邮一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，它上面的后进的栈内容已被弹出
4.生长方向：
对于堆来说，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向
对于栈来说，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长
5.分配方式不同：
堆都是动态分配的
栈有两种分配方式动态分配和静态分配，静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配，动态分配是由alloca完成的，栈的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手动实现
6.分配效率：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，他的机制很是复杂，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法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，就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分配到足够大小的内存，然后进行返回，显然，堆的效率比栈要低的多

虽然栈有众多好处，但是和堆比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是堆好一些

三丶常见的内存错误及其对策
1.内存分配未成功，却使用了它
常见的解决办法是在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针是函数的参数，那么在函数入口处用assert(p!=NULL)进行检查。如果是用malloc或new来申请内存，应该用if(p==NULL)或if(p!=NULL)进行防错处理

2.内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它
犯这种错误主要是有两个起因：一是没有初始化的概念，二是误以为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误(例如数组)。内存的缺省初值究竟是什么没有统一的标准，尽管有时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。所以无论如何用哪种方式创建数组，都别忘了赋初值，即使是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。

3.内存分配成功已经初始化，但操作越过了内存的边界
例如在使用数组时经常发生下标”多1“或者”少1“的操作。特别是在for循环语句中，循环次数很容易搞错，导致数组越界

4.忘记了释放内存，造成内存泄露
含有这种错误的函数每被调用一次就会丢失一块内存，刚开始时系统的内存充足，你看不到错误。终有一次程序突然死掉，系统出现提示：内存耗尽。动态的申请和释放必须配对，程序中malloc与free的次数一定要相同，否则肯定有错误

5.释放了内存却继续使用它
有三种情况：
1）程序中的对象调用过于复杂，实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存，此时应该重新设计数据结构，从根本上解决对象管理混乱的局面
2）函数的return语句写错了，注意不要返回指向”栈内存“的指针”或者引用“，因为该内存在函数体结束时被自动销毁
3）使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL，导致产生”野指针“

【规则1】在使用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL，防止使用指针值作为NULL的内存
【规则2】不要忘记为数组或动态内存赋初值。防止将违背初始化的内存作为右值使用
【规则3】避免数组或指针下标越界，特别当心发生”多1“或者”少1“操作
【规则4】动态内存的申请和释放必须配对，防止内存泄露
【规则5】用free或delete释放内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生野指针

四丶野指针
”野指针“不是NULL指针，是指向”垃圾“内存的指针。人们一般不会用错NULL指针，因为用if语句很容易判断，但是野指针是很危险的，if语句对它不起作用，”野指针“的成因主要有两种
1.指针变量没有初始化，任何指针变量被创建时不会自动成为NULL,它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存

char *p = NULL;
char *str = (char *)malloc(100);

2.指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是一个合法的指针
3.指针操作超越了变量的作用域范围，这种情况让人防不胜防

class A {
public:
    void Func(void) {
        cout << "Func of class A" << endl;
    }
};

void Test(void) {
    A *p;
    {
        A a;
        p = &a;//注意a的生命周期
    }
    p->Func();//p是"野指针"
}

函数Test在执行语句p->Func()时，对象a已经消失，而p是指向a的，所以p就成了野指针，但奇怪的是这个程序没有报错，可能和编译器有关

五丶内存耗尽怎么办
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块，malloc和new将返回NULL指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理”内存耗尽“问题
1.判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数，例如：

void Func(void) {
    A* a = new A;
    if (a == NULL) {
        return;
    }
}

2.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，例如：

void Func(void) {
    A* a = new A;
    if (a == NULL) {
        exit(1);
    }
}