C++ 内存分配

（JG-2014-08-20）
（前半部分经过网上多篇文章对比整理）
（后半部分根据ExceptionalCpp、C++语言问题等书整理与一些经验）

1 概念

想要学好C++的堆栈，那么就要了解什么是C++堆栈，所为C++堆栈就是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除，分为堆和栈两部分。
　　在C++中，内存分成5个区，他们分别是：

• 堆
  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。
• 栈
  栈，就是那些由编译器在需要的时候分配，在不需要的时候自动清楚的变量的存储区。里面的变量通常是局部变量、函数参数等。
• 自由存储区
  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，不过它是用free来结束自己的生命的。
• 全局/静态存储区
  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++堆栈中，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
  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(当然，你要通过非正当手段也可以修改，而且方法很多)

堆栈的概念（我的理解堆就是heap,栈就是stack,有别于有些人的提法：堆栈就是指stack）对于一个C++或者任何语言的程序员都是极度重要的，除非你是只准备停留在语言syntax层面的coder, 堆栈对于理解语言运行原理和环境实在太重要，比如你在C++中只要写简单一句 int arr[1000000]; 你的程序肯定就会遇到运行时的错误报告，其实就是stack overflow, 要知道通常stack size默认一般只有1MB（IA32 X86平台，visual studio 2008 Express Edition），有些人就要惊讶了，那怎么办？用heap! 用new/delete去申请heap 里的内存（在java中所有object都在heap里，只有object name即object pointer是放在stack运行栈里的）
　　C++复杂就复杂在很多需要你自己去管理，申请动态内存，释放动态内存，都需要自己去管理，而java相比较就简单而且傻瓜很多了，你不用管object在哪里，想用就直接new一个出来，也不用自己释放，GC（Garbage Collector）会帮你释放。

2 堆和栈的区别

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1. 管理方式不同
   　　对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak
2. 空间大小不同
   　　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。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M。（这个值可以通过编译器修改）
3. 能否产生碎片不同
   　　对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构。
4. 生长方向不同
   　　对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，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，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由 malloc 函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
6. 分配效率不同
   　　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，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。显然，堆的效率比栈要低得多。

从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于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。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。
　　虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。
　　无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候 debug可是相当困难的：－）
　　对了，还有一件事，如果有人把堆栈合起来说，那它的意思是栈，可不是堆，呵呵，清楚了？

3 控制C++的内存分配

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1. 重载全局的new和delete操作符
   void * operator new(size_t size)
   {
   void *p = malloc(size);
   return (p);
   }
   void operator delete(void *p);
   {
   free(p);
   }
2. 为单个的类重载new[ ]和delete[ ]
   class TestClass {
   public:
   void * operator new[ ](size_t size);
   void operator delete[ ](void *p);
   // .. other members here ..
   };
   void *TestClass::operator new[ ](size_t size)
   {
   void *p = malloc(size);
   return (p);
   }
   void TestClass::operator delete[ ](void *p)
   {
   free(p);
   }
   int main(void)
   {
   TestClass *p = new TestClass[10];
   // ... etc ...
   delete[ ] p;
   }

4 常见的内存错误及其对策

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1. 内存分配未成功，却使用了它
   　　编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数，那么在函数的入口处用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
   　　犯这种错误主要有两个起因：一是没有初始化的观念；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并没有统一的标准，尽管有些时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
3. 内存分配成功并且已经初始化，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，导致数组操作越界。
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。
   　　动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。
5. 释放了内存却继续使用它
6. 程序中的对象调用关系过于复杂，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的混乱局面。
7. 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。（我常犯的错误）
8. 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”。

对策来了！

• 【规则1】用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
• 【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
• 【规则3】避免数组或指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
• 【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
• 【规则5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。

5 指针与数组的对比

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C++/C程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的。
　　数组要么在静态存储区被创建（如全局数组），要么在栈上被创建。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命期内保持不变，只有数组的内容可以改变。
　　指针可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。
　　下面以字符串为例比较指针与数组的特性。

1. 下面示例中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。a的内容可以改变，如a[0]= ‘X’。指针p指向常量字符串“world”（位于静态存储区，内容为world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句p[0]= ‘X’有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。

char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串
p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误
cout << p << endl;

2. 内容复制与比较
   　　不能对数组名进行直接复制与比较。若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，比较b和a的内容是否相同，不能用if(b==a) 来判断，应该用标准库函数strcmp进行比较。
   　　语句p = a 并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)+1个字符的内存，再用strcpy进行字符串复制。同理，语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较。

// 数组…
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
…
// 指针…
int len = strlen(a);
char *p = (char )malloc(sizeof(char)(len+1));
strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)
…

3. 计算内存容量
   　　用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。如下示例中，sizeof(a)的值是12（注意别忘了’’）。指针p指向a，但是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数，相当于sizeof(char*)，而不是p所指的内存容量。C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记住它。
   char a[] = "hello world";
   char *p = a;
   cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节
   cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节
   　　注意当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。如下示例中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
   void Func(char a[100])
   {
   　cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
   }
4. 指针参数是如何传递内存的？
   　　如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。如下示例中，Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？
   void GetMemory(char *p, int num)
   {
   　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
   }
   void Test(void)
   {
   　char *str = NULL;
   　GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
   　strcpy(str, "hello"); // 运行错误
   }
   　　毛病出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是 _p，编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄露一块内存，因为没有用free释放内存。
   　　如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，见示例：
   void GetMemory2(char *p, int num)
   {
   　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
   }
   void Test2(void)
   {
   　char *str = NULL;
   　GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
   　strcpy(str, "hello");
   　cout<< str << endl;
   　free(str);
   }
   　　由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例：
   char *GetMemory3(int num)
   {
   　char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
   　return p;
   }
   void Test3(void)
   {
   　char *str = NULL;
   　str = GetMemory3(100);
   　strcpy(str, "hello");
   　cout<< str << endl;
   　free(str);
   }
   　　用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡，见示例：
   char *GetString(void)
   {
   　char p[] = "hello world";
   　return p; // 编译器将提出警告
   }
   void Test4(void)
   {
   　char *str = NULL;
   　str = GetString(); // str 的内容是垃圾
   　cout<< str << endl;
   }
   　　用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“hello world”而是垃圾。
   　　如果把上述示例改写成如下示例，会怎么样？
   char *GetString2(void)
   {
   　char *p = "hello world";
   　return p;
   }
   void Test5(void)
   {
   　char *str = NULL;
   　str = GetString2();
   　cout<< str << endl;
   }
   　　函数Test5运行虽然不会出错，但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“helloworld”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。

6 杜绝“野指针”

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“野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用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. 指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，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。例如
   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，示例程序如下：
   class A
   {
   　public:
   　 　void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
   };
   void Test(void)
   {
   　A *p;
   　{
   　　A a;
   　　p = &a; // 注意 a 的生命期
   　}
   　p->Func(); // p是“野指针”
   }
   事实证明，这个函数依旧可以正常运行。已经在CSDN求教高手了，等答案再补全：

答案来了：

其实电脑开机后物理内存的每个字节都是可读写的，从来不会因为所谓的new、delete或malloc、free而被创建、销毁。区别仅在于操作系统内存管理模块在你读写时是否能发现并是否采取相应动作而已。操作系统管理内存的粒度不是字节而是页，一页通常为4KB。
推荐使用WinHex软件查看硬盘或文件或内存中的原始字节内容。

7 有了malloc/free为什么还要new/delete？

malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。
　　对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
　　因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。
　　不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程，对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。
　　既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？这是因为C++程序经常要调用C函数，而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
　　如果用free释放“new创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”，结果也会导致程序出错，但是该程序的可读性很差。所以new/delete必须配对使用，malloc/free也一样。

８ 内存耗尽怎么办？

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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)
   　{
   　　cout << “Memory Exhausted” << endl;
   exit(1);
   　}
   　…
   }
3. 为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander函数为new设置用户自己定义的异常处理函数，也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。

9 malloc/free的使用要点

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函数malloc的原型如下：
void * malloc(size_t size);
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：
int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。
* malloc返回值的类型是void *，所以在调用malloc时要显式地进行类型转换，将void * 转换成所需要的指针类型。
malloc函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int, float等数据类型的变量的确切字节数。例如int变量在16位系统下是2个字节，在32位下是4个字节；而float变量在16位系统下是4个字节，在32位下也是4个字节。最好用以下程序作一次测试：

cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;

在malloc的“()”中使用sizeof运算符是良好的风格，但要当心有时我们会昏了头，写出 p = malloc(sizeof(p))这样的程序来。
函数free的原型如下：

void free( void * memblock );

为什么free函数不象malloc函数那样复杂呢？这是因为指针p的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句free(p)能正确地释放内存。如果p是NULL指针，那么free对p无论操作多少次都不会出问题。如果p不是NULL指针，那么free对p连续操作两次就会导致程序运行错误。

10 new/delete的使用要点

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运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，例如：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];

这是因为new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言，new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数，那么new的语句也可以有多种形式。例如

class Obj
{
　public :
      Obj(void); // 无参数的构造函数
      Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
}
void Test(void)
{
　Obj *a = new Obj;
   Obj *b = new Obj(1);
   …
   delete a;
   delete b;
}

如果用new创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如：

Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象

不能写成：

Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1

在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如：

delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法

后者有可能引起程序崩溃和内存泄漏。

11 空口无凭来一个实例吧

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<u>下面切入正题</u>

一个由C/C++编译的程序运行时占用的内存分为以下几个部分

1. 栈区（stack）——程序运行时自动分配释放 ，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。
2. 堆区（heap）——一般由程序员分配释放， 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，分配方式倒是类似于链表（仅限于C++，java有GC，方式不一样）
3. 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。
4. 文字常量区——常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放
5. 程序代码区——存放函数体的二进制代码。

下面举个例子：

//main.cpp
int a = 0; 全局初始化区
char *p1; 全局未初始化区
main()
{
int a; //栈
char s[] = "abc"; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区，p3在栈上。
static int c =0； //全局（静态）初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
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。
}

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问题1. 为什么说堆比栈分配慢？
　　栈分配空间只需要移动SP指针（bump-the-pointer technique）,所以非常快，而C++堆需要在可用空间里寻找一块>=size的空间，通常是linkedlist,也就是链表里查找，所以需要时间，所以说堆比栈慢。

问题2. 为什么说java的堆比C++快？
　　因为java的GC会回收heap里不用的object并且会压缩compact释放的内存片，所以之后的object占用地址是连续的，继续分配时只需要一个指针往后移动（bump-the-pointer technique）,所以说java的堆比C++要快。

1. 堆栈是系统使用是临时存储区域。它是后进先出的数据结构。
   C++主要将堆栈用于函数调用。当函数调用时，各种数据被推入堆栈顶部；函数终止后的返回地址、传递给函数的参数、函数返回的结果以及函数中声明的局部变量等等。因此当函数A调用函数B调用函数C，堆栈是增长了，但调用完成后，堆栈又缩小了。

2. 堆是一种长期的存储区域。程序用C++的new操作符分配堆。对new的调用分配所需的内存并返回指向内存的指针。与堆栈不同，你必须通过调用new明确的分配堆内存。你也必须通过调用C++的delete操作符明确的释放内存，堆不会自动释放内存。

3. 如果C++中的一个类是定义在堆栈上的，就使用"."开访问它的成员。如果是定义在堆上的，就使用"->"指针来开访问。 但在，"->"操作符也可以用在堆栈上的类。