C++内存管理

C++的内存存储与释放由开发人员支配,在C++中内存管理无处不在,如果管理不好容易导致内存泄漏。相比于C++,Java或者Javascript的内存管理是自动的,虽然不用开发者管理内存,但不能自由灵活管理内存。

伟大的Bill Gates 曾经失言:

640K ought to be enough for everybody — Bill Gates 1981

比尔盖茨曾经说只要640kb内存完全够用。但是随着硬件水平的发展,需要更大的内存。有了一定大小的内存后,程序需要管理内存,分配内存和释放内存。

地址


物理地址

物理地址是硬件的存储数据的真实地址。程序不能直接访问物理地址。

虚拟地址

虚拟地址(逻辑地址)是由操作系统内核产生的,是物理地址向上的一个逻辑映射。程序访问逻辑地址进而映射到物理地址。

虚拟地址空间实际上不占任何真实的硬件内存空间,正如它的名字一样,它是虚拟的。每个进程都有自己的映射层(页表),记录逻辑地址与物理地址的映射关系。当访问一个逻辑地址时,从页表中找到对应的逻辑地址,从而访问到物理地址的真实数据。

虚拟地址用途

使用虚拟地址,使不同进程的地址互不影响,但最终都是映射到真实内存地址。

如上图,不同的进程有自己的逻辑地址空间,它们的地址相互不干扰。最终映射到真实的物理地址空间。

例子

int a =1;

程序执行,CPU给a变量生成一个逻辑地址。操作系统把逻辑地址映射到硬件的物理地址,通过物理地址获取a的数据。

MUU

CPU产生逻辑地址后,通过MMU把逻辑地址映射到物理地址。

1.CPU产生一个逻辑地址。

2.MMU生成逻辑地址和物理地址的映射。

3.物理地址存储真实数据。

内存分区


逻辑分区

1.大多数用户(程序员)并不认为他们的程序存在于一个连续的线性地址空间中。

2.相反,他们倾向于在多个段中考虑他们的内存,每个段专用于特定用途,例如代码,数据,栈,堆等。

3.内存分段通过分段的基地址和相对于基地址的偏移来实现。

4.例如,C编译器可能为代码,库代码,全局(静态)变量,堆栈和堆生成5个分区,如下所示:

物理分区

1.一个segment table将分段偏移地址映射到物理地址,同时检查无效地址。

2.每个段都存储在连续的内存上,且分区的大小可能不一样。

内存分配


在C++中,内存分成5个区,他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

: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。

: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: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。

堆和栈

voidf(){int* p=newint[5]; }

这条短短的一句话就包含了堆与栈,看到new,我们首先就应该想到,我们分配了一块堆内存,那么指针p呢?他分配的是一块栈内存,所以这句话的意思就是:在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小,然后调用operator new分配内存,然后返回这块内存的首地址,放入栈中。



https://chenqx.github.io/2014/09/25/Cpp-Memory-Management/

https://www.student.cs.uwaterloo.ca/~cs350/F06/slides/cs350_D.pdf

https://www.geeksforgeeks.org/memory-management-mapping-virtual-address-physical-addresses/

https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/8_MainMemory.html

https://www.quora.com/What-is-virtual-address-space-and-where-it-is-stored-Why-we-need-VA-if-we-are-about-to-store-limited-data-in-memory-only-of-its-capacity

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