C++-内存管理

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C++的内存分配方式

  • 全局/静态变量区
  • 常量存储区
  • 栈：在局部变量和函数参数在栈上创建，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，但是栈的内存容量有限。
  • 堆：由new分配的内存块，需要手动通过delete来释放。如果没有delete，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
  • 自由存储区：由malloc等分配的内存块，和堆是十分相似，不过它是用free来结束自己的生命的。

堆和栈

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void f() { int* p = new int[5]; }
delete []p;
  • new了一个在堆上的数组，并在栈上创建一个指针p；用delete []p释放堆上的内存
  • 未delete的话会造成内存泄漏。delete后的指针为野指针，
  • new和delete时分别执行构造函数和析构函数

管理方式&申请后系统的响应

  • 栈：由系统管理。不用手动申请，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
  • 堆：要new。
    • 首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

空间大小

  • 栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下，栈的大小是2M（或1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。
  • 堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

申请效率的比较：

  • 栈：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。

堆和栈中的存储内容

  • 栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。
  • 堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。

函数传递方式

  • 值传递：调用了一个复制构造函数，相当于创建了一个拷贝，会造成更多的内存占用
  • 引用传递：传递的是原参数的别名。节省内存，可对实参进行修改。

  • 指针传递：形参是指向实参的指针，对形参指针的操作，会影响到实参。

  • 指针传递和引用传递一般适用于：

    • 函数内部修改参数并且希望改动影响调用者。
    • 当一个函数实际需要返回多个值，而只能显式返回一个值时，可以将另外需要返回的变量以指针/引用传递。

引用

  • 引用为别名，不能有null引用
  • 引用在创建的同时必须对其初始化
  • 引用在初始化后，无法改变引用关系

指针

  • 本质上还是值传递，传递的是地址

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