The effective memory management of C++

一：基本概念：

1.內存分配方式

內存分配方式有三種：

[1]從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量，static變量。

[2]在棧上創建。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。

[3]從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由程序員決定，使用非常靈活，但如果在堆上分配了空間，就有責任回收它，否則運行的程序會出現內存泄漏，頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。

2.程序的內存空間

一個程序將操作系統分配給其運行的內存塊分爲4個區域，如下圖所示。

代碼區(code area)	程序內存空間
全局數據區(data area)
堆區(heap area)
棧區(stack area)

一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分,

1、棧區（stack）由編譯器自動分配釋放，存放爲運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等。其操作方式類似於數據結構中的棧。

2、堆區（heap）一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收。分配方式類似於鏈表。

3、全局區（靜態區）（static）存放全局變量、靜態數據、常量。程序結束後有系統釋放

4、文字常量區常量字符串就是放在這裏的。程序結束後由系統釋放。

5、程序代碼區存放函數體（類成員函數和全局函數）的二進制代碼。

下面給出例子程序，

int a = 0; //全局初始化區

char *p1; //全局未初始化區

int main() {

int b; //棧

char s[] = \"abc\"; //棧

char *p2; //棧

char *p3 = \"123456\"; //123456\\0在常量區，p3在棧上。

static int c =0;//全局（靜態）初始化區

p1 = new char[10];

p2 = new char[20];

//分配得來得和字節的區域就在堆區。

strcpy(p1, \"123456\"); //123456\\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的\"123456\"優化成一個地方。

}

3．堆與棧的比較

3.1申請方式

stack: 由系統自動分配。例如，聲明在函數中一個局部變量 int b;系統自動在棧中爲b開闢空間。

heap: 需要程序員自己申請，並指明大小，在C中malloc函數，C++中是new運算符。

如p1 = (char *)malloc(10); p1 =new char[10];

如p2 = (char*)malloc(10); p2 = new char[20];

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

3.2申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序。

對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。

由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。

3.3申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

3.4申請效率的比較

棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是棧，而是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

3.5堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，然後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

3.6存取效率的比較

char s1[] = \"a\";

char *s2 = \"b\";

a是在運行時刻賦值的；而b是在編譯時就確定的；但是，在以後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。比如：

int main(){

char a = 1;

char c[] = \"1234567890\";

char *p =\"1234567890\";

a = c[1];

a = p[1];

return 0;

}

對應的彙編代碼

10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據edx讀取字符，顯然慢了。

3.7小結

堆和棧的主要區別由以下幾點：

1、管理方式不同；

2、空間大小不同；

3、能否產生碎片不同；

4、生長方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對於堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。

空間大小：一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6下面，默認的棧空間大小是1M。當然，這個值可以修改。

碎片問題：對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因爲棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出，詳細的可以參考數據結構。

生長方向：對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向着內存地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向着內存地址減小的方向增長。

分配方式：堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由malloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。

分配效率：棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很複雜的，例如爲了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

從這裏我們可以看到，堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址， EBP和局部變量都採用棧的方式存放。所以，我們推薦大家儘量用棧，而不是用堆。

雖然棧有如此衆多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。

無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因爲越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果。

4.new/delete與malloc/free比較

從C++角度上說，使用new分配堆空間可以調用類的構造函數，而malloc()函數僅僅是一個函數調用，它不會調用構造函數，它所接受的參數是一個unsigned long類型。同樣，delete在釋放堆空間之前會調用析構函數，而free函數則不會。

class Time{

public:

Time(int,int,int,string);

~Time(){

cout<<\"call Time\'s destructor by:\"<<name<<endl;

}

private:

int hour;

int min;

int sec;

string name;

};

Time::Time(int h,int m,int s,string n){

hour=h;

min=m;

sec=s;

name=n;

cout<<\"call Time\'s constructor by:\"<<name<<endl;

}

int main(){

Time *t1;

t1=(Time*)malloc(sizeof(Time));

free(t1);

Time *t2;

t2=new Time(0,0,0,\"t2\");

delete t2;

system(\"PAUSE\");

return EXIT_SUCCESS;

}

結果：

call Time\'s constructor by:t2

call Time\'s destructor by:t2

從結果可以看出，使用new/delete可以調用對象的構造函數與析構函數，並且示例中調用的是一個非默認構造函數。但在堆上分配對象數組時，只能調用默認構造函數，不能調用其他任何構造函數。

C++中關於new和delete的使用

最近一直在啃C++ Primer中文版第4版，發現 C++中new和delete應用遍佈全書，現對其使用作簡單總結。在C++中，可以使用new和delete動態創建和釋放數組或者單個對象，現在對它們的使用一一道來。

1.創建動態數組
數組類型的變量有三個重要的限制：數組長度固定不變，在編譯時必須知道它的長度，數組只在定義它的塊語句中存在。對於動態分配的數組，雖然長度是固定的，但是動態分配的數組不必在編譯時知道其長度，可以（通常也是）在運行時才確定數組長度；同時，動態分配的數組一直存在直到程序顯示釋放爲止，這樣，我們就可以自己決定數組的存在與否了。
每個程序在執行時都佔用一塊可用的內存空間，用於存放動態分配的對象，此內存空間稱爲程序的自由存儲區（freestore）或堆（heap）.C++語言使用new和delete在自由存儲區中分配存儲空間。
動態分配數組時，只需指定類型和數組長度，不必爲數組對象命名，new表達式返回指向新分配數組的第一個元素的指針：
int *pia=new int[10];
此new表達式分配了一個含有10個int型元素的數組，並返回指向該數組第一個元素的指針。在自由存儲區創建的數組對象是沒有名字的，程序員只能通過其地址間接地訪問堆中的對象。
動態分配數組時，如果數組元素具有類類型，將使用該類的默認構造函數實現初始化；如果數組元素是內置類型，則無初始化：
string *psa = new string[10];// 調用string類的默認構造函數依次初始化數組中的每個元素，同時分配存儲空間。
int *pis = new int[10]; //無初始化值
可使用跟在數組長度後面的一對空圓括號，對數組元素作值初始化：
int *pis = new int[10](); //數組元素都設置爲0

之所以要動態分配數組，往往是由於編譯時並不知道數組的長度。C++中允許動態分配空數組：
size_t n = get_size();
int *p = new int[n];
for(int *q=p;q!=p+n;++q)
『/*處理數組元素的相關代碼*/』
在上面的例子中，只有在程序運行時才能確定n的值。如果n的值爲0，代碼依然正確執行。C++中雖然不允許定義長度爲0的數組變量，但是明確指出，調用new動態創建長度爲0的數組是合法的。
char *cp = new char[10];
用new動態創建長度爲0的數組時，new返回有效的非零指針，但不能進行解引用，因爲它畢竟沒有指向任何元素。

2. 動態創建單個對象
動態創建對象時，只需指定其數據類型，不必爲該對象命名，new表達式返回指向新創建對象的指針，我們通過該指針來訪問此對象：
int *pi = new int(1024);
string *ps = new string(10, '9');
在C++中使用直接初始化語法規則初始化動態創建的對象，上面的表達式就使用該語法規則初始化了動態創建的對象。對於類類型的對象，則使用該類類型的構造函數初始化對象。可對動態創建的對象做值初始化，如下所示：
string *ps = new string();
int *pi = new int();
對於提供了默認構造函數的類類型，沒有必要進行值初始化。如果沒有顯示初始化動態創建的對象，則對於類類型的對象，用該類的默認構造函數初始化，對於內置類型的對象則無初始化。

3. 動態空間的釋放
動態分配的內存最後必須進行釋放。如果不需要動態創建的數組，我們必須顯示地將其佔用的存儲空間返還給程序的自由存儲區。C++中使用delete [ ]表達式釋放指針所指向的數組空間：
delete [ ] pis;
該語句釋放上面所創建的動態int型數組所佔有的存儲空間。在關鍵字delete和指針之間的[ ]告訴編譯器該指針指向的是自由存儲區中的數組，而並非單個對象。對於表達式
delete pi;
該命令釋放了pi指向的int型對象所佔用的內存空間。刪除指針後，該指針變成懸垂指針（danglingpointer）.懸垂指針指向曾今存放對象的內存但該對象已經不存在了。懸垂指針往往導致程序錯誤，而且很難檢測出來。一旦刪除了指針所指向的對象，立即將指針置爲0，這樣就非常清楚地表明指針不再指向任何對象。

數組的動態分配(new)、初始化(memset)和撤銷(delete)

一維數組的動態分配，初始化和撤銷都好說，幾乎每一本C++教材都會做出詳細的說明。具體如下：

動態分配(例如分配10個單元的)： int *array=new int [10]；

初始化：memset(array,0,sizeof(array)); (也可以利用一個for循環對其賦值初始化)

撤銷：delete [] array;

下面來說二維數組的。

二維數組(n行m列)利用new來進行動態分配實際上相當於對n個m元數組進行動態分配，只不過我們不能一味的按照動態分配一維數組的方法來進行這項操作。MSVC目前還沒有這般的人性化，具體應該這樣做：

int **array;

array=new int *[10];

for(int i=0;i<10;i++)

array[i]=new int [5];

上面的操作完成了一個10行5列的二維數組array[10][5]的動態分配,可以看到我們先動態分配了一個10單元的數組的指針的指針的首地址給**array，然後再對其每個首地址進行遍歷，同時完成一個5單元的數組的動態分分配，並把首地址給*array[i]，從而最終完成了二維數組array[10][5]的動態分配。我們可以依此類推得到三維以至多維的數組的動態分配方法。

二維數組的初始化：如果把一維數組初始化辦法照搬過來就會發現對於動態分配的二維數組並不適用。這就要理解到memset這個函數三個參數的含義。MSDNhttp://blog.csdn.net/shanzhizi對memset的描述如下：

memset

Sets buffers to a specified character.

void *memset( void *dest, int c, size_t count );

可見memset只能作用於一個一維數組void *dest，因此最好的辦法就是和二維數組的動態分配結合起來，new一個，memset一個。

我的理解是memset只作用於一塊連續的內存空間，而動態開闢的空間不一定是連續的，SO。

具體寫法如下：

int **array;

array=new int *[10];

for(int i=0;i<10;i++)

{

array[i]=new int [5];

memset(array,0,5*sizeof(int));

}

可以看到這裏的memset的第三個參數有了變化。

二維數組的撤銷：

for (int i = 0; i < 10; i ++) {

delete[] array[i];

}

delete [] array；

三維數組用一個例子說明：

#include <stdio.h>

#include <memory.h>

#define size1 5

#define size2 10

#define size3 15

int main()

{

int *** arr;

int i,j,k;

/////////////////// 動態開闢相當於arr[size1][size2][size3]

arr = new int**[size1];

for (i = 0; i < size1; i ++) {

arr[i] = new int*[size2];