1. C++內存管理

• C/C++程序內存的分配

C/C++編譯的程序占用的內存分區

• 棧區（stack）：由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數名，局部變量的名等。其操作方式類似于數據結構中的棧。
• 堆區（heap）：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。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。
• 全局/靜態存儲區 ：全局變量和局部靜態變量的存儲是放在一塊的（在以前的C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C++里面沒有這個區分）。程序結束后由系統釋放。
• 常量存儲區 ：常量字符串就是放在這里的，正常情況不允許修改，程序結束后由系統釋放 。
• 程序代碼區 ：放函數體的二進制代碼。

在C++中，內存分為：棧、堆、自由存儲區、全局/靜態存儲區、常量存儲區。

• 棧，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，函數執行結束是這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率高，分配的內存容量有限。
• 堆，就是那些由malloc等分配的內存塊，用free來釋放內存。
• 自由存儲區，那些由new分配的內存塊，由應用程序去控制，一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程序結束后，操作系統會自動回收。
• 全局/靜態存儲區，全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，在以前的C語言中，全局變量又分為初始化的和未初始化的，在C++里面沒有這個區分了，他們共同占用同一塊內存區。
• 常量存儲區，這是一塊比較特殊的存儲區，他們里面存放的是常量，不允許修改。

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堆和自由存儲區的區別與聯系

從技術上來說，堆（heap）是C語言和操作系統的術語。堆是操作系統所維護的一塊特殊內存，它提供了動態分配的功能，當運行程序調用malloc()時就會從中分配，稍后調用free可把內存交還。而自由存儲是C++中通過new和delete動態分配和釋放對象的抽象概念，通過new來申請的內存區域可稱為自由存儲區。基本上，所有的C++編譯器默認使用堆來實現自由存儲，也即是缺省的全局運算符new和delete也許會按照malloc和free的方式來被實現，這時藉由new運算符分配的對象，說它在堆上也對，說它在自由存儲區上也正確。但程序員也可以通過重載操作符，改用其他內存來實現自由存儲，例如全局變量做的對象池，這時自由存儲區就區別于堆了。我們所需要記住的就是：

• 堆是C語言和操作系統的術語、是操作系統維護的一塊內存，而自由存儲是C++中通過new與delete動態分配和釋放對象的抽象概念。堆與自由存儲區并不等價。
• new所申請的內存區域在C++中稱為自由存儲區。藉由堆實現的自由存儲，可以說new所申請的內存區域在堆上。

1.1.1.3 堆和棧的區別

• 管理方式：對于棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制；對于堆來說，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么限制的。但是對于棧來講，一般都是有一定的空間大小的，默認的棧空間大小是1M（VS2017 項目-屬性-鏈接器-系統可以修改）。
• 碎片問題：對于堆來講，頻繁的malloc/free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。棧是先進后出的隊列，以至于永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出。
• 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alloca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，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法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（可能是由于內存碎片太多），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，然后進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。

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2. new/delete和malloc/free的區別與聯系：

• new/delete是C++關鍵字，需要編譯器支持。malloc/free是庫函數，需要頭文件支持。
• 使用new操作符申請內存分配時無須指定內存塊的大小，編譯器會根據類型信息自行計算。而malloc則需要顯式地指出所需內存的尺寸。
• new操作符內存分配成功時，返回的是對象類型的指針，類型嚴格與對象匹配，無須進行類型轉換，故new是符合類型安全性的操作符。而malloc內存分配成功則是返回void * ，需要通過強制類型轉換將void*指針轉換成我們需要的類型。
• new內存分配失敗時，會拋出bac_alloc異常。malloc分配內存失敗時返回NULL。
• new會先調用operator new函數，申請足夠的內存（通常底層使用malloc實現）。然后調用類型的構造函數，初始化成員變量，最后返回自定義類型指針。delete先調用析構函數，然后調用operator delete函數釋放內存（通常底層使用free實現）。
• ?malloc/free是庫函數，只能動態的申請和釋放內存，無法強制要求其做自定義類型對象構造和析構工作。
• C++允許重載new/delete操作符，特別的，布局new的就不需要為對象分配內存，而是指定了一個地址作為內存起始區域，new在這段內存上為對象調用構造函數完成初始化工作，并返回此地址。而malloc不允許重載。
• new操作符從自由存儲區（free store）上為對象動態分配內存空間，而malloc函數從堆上動態分配內存。自由存儲區是C++基于new操作符的一個抽象概念，凡是通過new操作符進行內存申請，該內存即為自由存儲區。而堆是操作系統中的術語，是操作系統所維護的一塊特殊內存，用于程序的內存動態分配，C語言使用malloc從堆上分配內存，使用free釋放已分配的對應內存。自由存儲區不等于堆，如上所述，布局new就可以不位于堆中。

注意：

堆是一個實際的區域，而自由存儲區是一個更上層的概念。通常new確實是在堆上申請內存，但是程序員可以自己重載new操作符，使用其他內存來實現自由存儲（這并不常見）。另外，c++ primer plus這本書上有提到布局new，可以為對象在棧上分配內存。總的來說，自由存儲區是new申請的區間的概念。

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既然new/delete的功能覆蓋了malloc/free，為什么C++還要保留malloc/free？因為C++程序經常要調用C函數，而C程序只能用malloc/free管理動態內存。

new/delete、malloc/free底層實現原理：new/delete的底層實現是調用malloc/free函數實現的，而malloc/free的底層實現也不是直接操作內存而是調用系統API實現的。

new/delete的兩種分配方式原理圖如下：

?注意，針對上圖最末尾所述的“new[]/delete[]時會多開辟4字節用于存儲對象個數”，作如下說明：

對于內置類型：

• new []不會在首地址前4個字節定義數組長度。
• delete 和 delete[]是一樣的執行效果，都會刪除整個數組，要刪除的長度從new時即可知道。

對于自定義類型：

• new []會在首地址前4個字節定義數組長度。
• 當delete[]時，會根據前4個字節所定義的長度來執行析構函數刪除整個數組。
• 如果只是delete數組首地址，只會刪除第一個對象的值。?

1. 參考資料：

1. C++內存管理

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C++ 内存管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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