c++内存管理

内存分配方式

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。

  • 在栈上创建
    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。
  • 从堆上分配
    就是由运算符 new分配的内存块,使用完内存后,需要手动释放,用运算符delete,并且释放完后指针指向NULL.
  • 自由存储区上分配
    就是由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。

堆与栈的区别

以一个小例子开头:

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

上述例子即开辟了堆内存也开辟了栈内存,运算符new分配了一块堆内存,用来存放含5个元素的整型数组;指针p指向这段内存,那指针p自身又该放在何处呢?此时给指针p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。

那么堆和栈究竟有什么区别?
管理方式: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,否则容易产生memory leak。

空间大小: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(好像是,记不清楚了)。

碎片问题: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。

生长方向: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。

分配方式: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alloca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。

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,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。

结论:通过上述比较,堆和栈各有其优缺点,通过自己的需求灵活选择。但不管是使用堆还是栈,重要的一点是,一定不要越界,否则会使你的程序产生意想不到的后果。

常见的内存错误及其对策

发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来,程序却没有发生任何问题,你一走,错误又发作了。 常见的内存错误及其对策如下:

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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)。

  • 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。
      (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”。

那么如何避免产生野指针呢?这里列出了5条规则,平常写程序时多注意一下,养成良好的习惯。

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”。

参考

C/C++内存管理详解

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