C++内存操作和管理（一）

如果知道我会死在哪里，那我将永远不去那个地方 -查理 芒格

前言

内存的操作和管理涉及东西较多且散，为便于查看，整理归纳成此文。可能有不全面之处，望大家批评指正。所有内容（见下图），我本想为了一次性更完，但是阅读体验不佳。遂将其拆分为两部分，此为其一。

内存布局

C++ 中的内存布局是由编译器和操作系统共同决定的。一般来说，C++ 中的内存布局可以分为以下几个部分：

• 代码段（Code Segment）：存储执行代码的二进制指令，通常是只读的。
• 全局/静态变量区（Static Data Area）：全局变量和静态变量被分配在这个区域。这些变量在程序的整个运行周期内都存在，它们的生命周期与程序的生命周期相同。
• 常量区（Constant Data Area）：常量字符串等常量数据被存储在这个区域。这些数据在程序运行期间不能被修改。
• 堆（Heap）：动态内存分配发生在堆上。使用 new 和 delete 或 malloc 和 free 进行动态内存分配和释放。
• 栈（Stack）：局部变量、函数参数和函数调用信息都存储在栈上。栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，通过栈指针（stack pointer）来管理。

栈内存使用

#include <iostream>
void stackMemoryExample() {
    int localVar = 10;  // 局部变量，存储在栈上
    std::cout << "Stack Memory Example: " << localVar << std::endl;
}  // localVar 在函数结束时被销毁

堆内存使用

#include <iostream>
void heapMemoryExample() {
    int* dynamicVar = new int(20);  // 动态分配内存，存储在堆上
    std::cout << "Heap Memory Example: " << *dynamicVar << std::endl;
    delete dynamicVar;  // 释放堆上的内存，防止内存泄漏
}

内存分类

C++程序的内存管理涉及物理内存和虚拟内存。而物理内存和虚拟内存的桥梁为存管理单元（MMU）。

• 物理内存：物理内存是计算机实际硬件上的内存。它是计算机用于存储程序和数据的硬件组件，通常是RAM（随机访问存储器）。C++程序在运行时需要物理内存来存储变量、数据结构、函数调用栈和程序代码等。
• 虚拟内存：虚拟内存是一种抽象概念，它扩展了计算机对内存的使用。每个运行的程序都拥有自己的虚拟内存空间，这是一个独立于物理硬件的地址空间。虚拟内存使得每个程序似乎都有足够的内存可用，即使实际物理内存有限。它允许程序使用比物理内存更大的地址空间，将不常用的数据存储在硬盘上，只在需要时将其加载到物理内存中。
• 内存管理单元（MMU）：MMU 是计算机系统中的硬件组件，负责将程序中的虚拟地址映射到物理地址。它实现了虚拟内存的概念。当程序访问虚拟内存中的地址时，MMU将这些地址转换为对应的物理地址，或者在需要时将数据从磁盘加载到物理内存。这种转换和管理是透明的，程序员无需关心。

动态内存分配

C++中可以使用new/delete及malloc/free来操作动态内存。

new和malloc的区别和联系

• new 是C++的运算符，自定义类型可以实现operator new和operator delete的重载，而 malloc 是C的库函数。
• new 返回的是分配类型的指针，而 malloc 返回的是 void*。在使用 new 时，编译器会执行类型检查，并确保分配的内存与所请求的类型相匹配。
• new 不仅分配内存，还会调用对象的构造函数，同理delete也会调用对象的析构函数。而malloc只是分配一块内存，不会调用构造函数。
• new 不需要传递类型的大小，因为编译器会根据类型进行计算。malloc 需要显式传递分配的内存大小。
• new/delete、new[]/[]delete、malloc/free分别配套使用。

new分配内存

int* myInt = new int; // 分配一个整数的内存
//一些操作
delete myInt;

new分配数组

int* p = new int[5];
for(int i =0; i<5;i++)
{
    p[i]=i;
}

for(int i =0; i<5;i++)
{
    std::cout<<p[i]<<"\n";
}
delete []p;

malloc分配内存

int* p = (int*)malloc(5*sizeof(int));
for(int i =0; i<5;i++)
{
    p[i]=i;
}

for(int i =0; i<5;i++)
{
    std::cout<<p[i]<<"\n";
}
free(p);

malloc分配多级内存

int** p = (int**)malloc(5*sizeof(int*));
for(int i =0; i<5;i++)
{
    p[i]=(int*)malloc(2*sizeof(int));
    
    p[i][0]=i*i+0;
    p[i][1]=i*i+1;
}

for(int i =0; i<5;i++)
{
    std::cout<<p[i][0]<<"\t"<<p[i][1]<<"\n";
}

for(int i =0; i<5;i++)
{
    free(p[i]);
}
free(p);

操作动态内存可能存在的问题

内存泄漏

顾名思义，申请内存后没有释放，如new/delete、new[]/[]delete、malloc/free未能配套使用。通常意义上分为两种情况:（1）动态分配的内存没有释放；（2）虽然释放内存但是存在指向丢失导致的泄露

int main() 
{
int* p = new int;
*p = 10;
//no delete,memory leak
return 0;
}

int main() 
{
int* p = new int;//this pointer will memory leak
p = new int;
*p = 10;
free(p);
return 0;
}

解决方法：配套使用，或使用智能指针

野指针

指针定义后未初始化，致使指针指向的内存是无效值/随机值。

int* ptr = new int;
std::cout<<*ptr;//此时即为野指针

解决方法：定义即初始化，如果不确认指向，可指向nullptr

悬挂指针

一个曾经指向有效内存区域，但后来该内存区域被释放或重新分配，而指针仍保留原来的值，导致无法再通过该指针访问该内存区域

int* ptr = new int(10);  
delete ptr;
//此后如果再次使用ptr，ptr即为悬挂指针

内存释放后立刻将指针指向nullptr

double free

指针释放后再次释放会触发访问冲突崩溃，如下实例代码

void test_memory_double_free()
{
int* p = new int;
delete p;
p=nullptr;//if commit this line will trigger break point
delete p;
}

解决方法：指针释放后立刻将其指向nullptr

内存碎片和效率

内存碎片和效率主要存在于大量申请和释放内存的场景。频繁的内存申请和释放可能会导致内存的空存在大量碎片，致使分配大空间内存时内存不够；同时，内存的申请和释放是有CPU耗时的，过多的申请和释放会存在效率问题的。

解决方法：内存池，见后期文章

好习惯推荐：指针使用前检查其是否为nullptr，定义和释放后立刻将其指向nullptr