C++基础总结系列之【内存结构】

目录

内存分区

内存图

内存四区

栈区

堆区

数据区

代码区

堆与栈的区别

动态内存管理

malloc、calloc、realloc

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new/delete

new和malloc的区别

智能指针

内存对齐

what

why

没有内存对齐机制

引入内存对齐机制

how

对齐系数

有效对齐值（对齐单位）

结构体内存对齐规则

类内存对齐规则

常见的内存错误（如何避免内存泄漏）

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内存分区

• 内存图

• 内存四区

栈区

1. 作用：保存局部变量、函数调用参数等
2. 生命周期：只在函数范围内存在，当函数运行结束时自动销毁

堆区

1. 作用：保存new的对象
2. 生命周期：遇见delete结束，如果没有主动调用delete则在程序结束后由OS自动回收

PS：

堆区与自由存储区是有区别的，二者并不等价，堆是操作系统维护的一块实际物理内存，是一个物理概念

而自由存储区是C++中通过new/delete动态分配和释放对象的存储区，是一个逻辑概念

数据区

通常又分为全局区（静态区）和 常量区

全局区（静态区）

1. 作用：存放全局变量和static静态变量，已经初始化的在.data区域，未初始化的在.bss区域
2. 生命周期：程序结束后由OS释放

常量区

1. 作用：存放不可修改的常量
2. 生命周期：程序结束后由OS释放

代码区

1. 作用：存放程序执行代码

• 堆与栈的区别

	堆	栈
管理方式	人为管理	自动管理
分配方式	人为分配，速度慢	系统分配，速度快
空间大小	一般为4GB	一般为1MB
内存碎片	堆由于new/delete分配空间不连续，会产生碎片	栈的地址空间是连续的，不会产生碎片
生长方向	堆向高地址扩展	栈向低地址扩展
分配效率	堆由函数库提供，按照一定算法在堆内存中搜索足够大小的空间，如果没有足够大小的空间，可能调用系统功能增加程序数据段的内存空间，效率较低	栈有专门的寄存器和指令存放栈地址以及操作栈区，效率高
适用情况	堆需要自己管理，易出错，效率低，但灵活，空间大	栈方便管理，效率很高，但不灵活，空间小

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动态内存管理

• malloc、calloc、realloc

• new/delete

new/delete本质上其实就是对malloc/free进行的封装

new：先调用operator new分配空间，再调用构造函数初始化

delete：先调用析构函数清理对象，再调用operator delete释放空间

new[]：先调用operator new分配空间，再调用n次构造函数初始化对象

delete[]：先调用n次析构函数清理对象，再调用operator delete释放空间

• new和malloc的区别

	C	C++
性质	malloc/free是函数	new/delete是操作符
初始化	malloc不可以初始化	new可以初始化
开辟空间的位置	malloc开辟的空间在堆区	new开辟的空间在自由存储区
开辟空间的大小	malloc开辟空间时需要指定空间大小	new开辟空间时只需要类型名，由编译器自己计算大小
成功返回值	malloc申请成功返回void*型空间，需要使用时强转成其他类型，失败返回NULL	new申请成功返回对象指针，失败则抛出异常
扩容	malloc开辟的空间如果不够用，可以使用realloc扩容	new没有直接的扩容方式
是否调用构造/析构	new在申请空间时，先调用malloc开辟空间，再调用构造函数进行初始化，在delete时会先调用析构函数清理对象，然后调用free释放空间

• 智能指针

如需进一步了解，请移步至我的另一篇文章

C++基础总结系列之【智能指针】

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内存对齐

what

在32位系统中，int占4字节，char占1字节，将它们储存在一个结构体中，应该占用5个字节，但实际上占用了8个字节

why

上述情况出现是因为处理器存在内存存取粒度的说法——处理器处理字节的单位，通常为双字节、四字节或八字节等等

以32位系统，存取粒度为4字节为例

• 没有内存对齐机制

一个int型变量存放在地址为1开始的4个字节的地址中

处理去取int型数据时，先从0地址开始读取第一个4字节块，剔除第一个字节存放的是char

再读取下一个4字节块，剔除不想要的字节（5,6,7），最后剩下的内存合并放入寄存器，需要很多步骤

• 引入内存对齐机制

int变量只能存放在4字节的整数倍开始的地址大小内，则一次就能读取到想要的数据

how

• 对齐系数

• 有效对齐值（对齐单位）

对齐系数和结构体中最长数据类型长度相比，较小的一个

如：对齐系数为4，最长数据类型为short——2字节，则有效对齐值为2

       对齐系数为4，最长数据类型为double——8字节，则有效对齐值为4

• 结构体内存对齐规则

举例：以32位系统，默认对齐系数4字节为例

1. 整个结构体根据最宽成员int的对齐系数4对齐

2. c1对齐单位为1，按照1字节对齐，占用第0单元

3. i相对于结构体起始地址的偏移要为4的倍数，补齐前一个成员c1，占用0-3单元，i自身占用第4-7单元

4. c2相对于结构体起始地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元，结构体总体大小要能够被最宽的成员的大小整除，补齐4字节

用sizeof取其大小得到12

如果添加了#pragma pack(2)，则用sizeof取其大小得到8，请读者自行思考

• 类内存对齐规则

举例，不做详细分析

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常见的内存错误（如何避免内存泄漏）

RAII机制（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）

其本质内容是用对象代表资源，把管理资源的任务转化为管理对象的任务

将资源的获取和释放与对象的构造和析构对应起来，从而确保在对象的生存期内资源始终有效，对象销毁时资源一定会被释放

它是一种思想，并没有直接的语法说明，modern C++中的智能指针就是采用这种思想设计实现的

详细内容见：

https://blog.csdn.net/jinzhu1911/article/details/84980415