[C/C++学习]之十五、内存管理

索引：
1、内存分配简介

2、内存分配常见错误

3、new()/delete()函数的使用

4、malloc()/free()函数的使用

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。
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。
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。
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
明确区分堆与栈
在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。
首先，我们举一个例子：
void f() { int* p=new int[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，他在VC6下的汇编代码如下：
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。
好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？
主要的区别由以下几点：
1、管理方式不同；
2、空间大小不同；
3、能否产生碎片不同；
4、生长方向不同；
5、分配方式不同；
6、分配效率不同；
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，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）。当然，我们可以修改：
打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
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，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。
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。
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：）

在C/C++中，有以下几种内存分配方式：
1．从静态存储区分配：此时的内存在程序编译的时候已经分配好，并且在程序的整个运行期间都存在。全局变量，static变量等在此存储。
全局区（静态区）（ static ）存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后有系统释放
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。
2．在栈区分配：相关代码执行时创建，执行结束时被自动释放。局部变量在此存储。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率高，但容量有限。
3．在堆区分配：动态分配内存。用new/malloc时开辟，delete/free时释放。生存期由用户指定，灵活。但有内存泄露等问题
栈区（ stack ）由编译器自动分配释放，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
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。分配方式类似于链表。

动态分配时可能产生内存碎片，最终动态分配内存会浪费不必要的时间开销。
动态分配失败，需要检查返回值或捕获异常，这样也会造成额外的开销。
动态创建的对象可能被删除多次或者删除后继续使用，这样就会发生运行时错误或程序消耗内存。
[cpp]
int a = 0; // 全局初始化区
char *p1; // 全局未初始化区
int main()
{
int b; // 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 = new char[10];
p2 = new char[20]; // 分配得来得和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/"
}

内存分配常见错误：
1、内存泄露
在堆上对内存进行申请的时候，一定要提高警觉程度。动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc 与free 、new与delete的一定要成对。千万防止光申请不释放的代码出现。
如果发生这种错误，函数每被调用一次就丢失一块内存。
我们来看一下如何防止：
我们将指针放进对象的内部并且让对象管理指针是最简单的防止内存泄露的方法。应把new返回的指针存储在对象的成员变量里，当需要时该对象的析构函数便能够释放掉该指针。
这种方法的优点就是将指针完全交给对象去管理，不需要担心在操作指针时出现内存泄露等问题。但是指针仅有初步创建和释放的语义，通过把指针放进对象里可以保证该析构函数的执行及正确释放分配的内存。
C/C++中，内存管理器不会自动回收不再使用的内存，如果忘记释放不再使用的内存，这些内存就允许被重用，此时就会造成内存泄露。

2、内存越界
何谓内存访问越界，简单的说，你向系统申请了一块内存，在使用这块内存的时候，超出了你申请的范围。
读越界：读了不属于自己的数据。如果读的内存地址是无效的就会崩溃。
写越界：也叫做缓冲区溢出，在写书的数据对别人来说是随机的，这样也会发生错误。
解决：遇到这种问题，首先你得找到哪里有内存访问越界，而一个比较麻烦得问题在于，出现错误得地方往往不是真正内存越界得地方。对于内存访问越界，往往需要进行仔细得代码走查、单步跟踪并观察变量以及在调试环境得帮助下对变量进行写入跟踪
[cpp]
char b[16]="abcd";
memset(b, 0,32);//越界

3、野指针
使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL，也就是指向不可用内存区域的指针。
野指针”不是NULL

补充：软件开发 , C++ ,