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六：C++内存模型、管理

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作者 W
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六：C++内存模型、管理

前文

C++的优势是在运行时能有效的分配和释放内存，本章节说明C++的内存怎么分配，有哪些相关名词，相关函数。

很多资料的都说明了C++程序运行时会将内存分为几个部分，如栈、堆、数据、代码区等，但不同资料间又有所不同， 本章节内容会综合相关资料。

正文

内存模型

参考资料1， 参考资料2

查看反汇编代码一般程序存储分层了好几段，但综合网络上资料，还是将其大致分成四个部分（未初始化bss segment和已初始化data segment放在一起）讲解：

  • 代码区（一般还会包含一些常量，字符串字面量等）。
  • 数据区（未初始化block started by symbol和已初始化，静态区，全局区）。
  • 栈（调用栈，Call Stack）。
  • 堆（Heap）。

对于不同的区域，编译器定的生命周期是不一样的。

栈

栈主要针对函数（包括main函数）内的数据（不包括static extern修饰的变量），由编译器自动分配释放（主动分配内存是在堆中进行），存放局部变量等，当调用函数的时候，函数体的数据被压入栈，而结束时，需要返回的数据出栈，且符合先进后出原则（这也就是为什么函数能递归），到函数体结束时释放内存。

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func () {
	int a;
	int b;
	b += param;
}

如上函数，对应的在栈（设栈stack，从左往右即为从上至下）的为， 首先a被压入栈，stack{a}，接着b被压入栈stack{b, a}，接着是stack{param, b, a}，param被调用完出栈，此时为stack{b, a}。

堆

堆由编程人员自己分配，如果不进行释放操作，则程序结束系统释放，使用堆是为了更好的管理内存，如分配数组，往往一次性定义数组大小并不会全部使用完，浪费了内存，体现在代码中为使用new/delete关键字。这里需要注意内存泄漏。

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int a;
cin >> a;
int b[a];
cout << sizeof(b);

上述代码在一些编译器是能编译通过的，但不意味着是正确的，因为a是在运行时确定的，编译器无法知道该预留多少空间给b， 正确的是在堆中进行分配并且使用完释放。

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int a;
cin >> a;
int *b = new int[a];
// delete[] b;

代码区

代码区存放二进制代码和常量，如字符串字面量，需要程序运行完释放，且这个区域一般是只读的，也可写则意味着可以修改程序。

数据区

数据区的变量运行在程序的开始和结束，体现在代码中，即为不包含在函数和类中的变量。存放全局变量包括static等，把static和内存联系起来即static不改变访问修饰权限的原因。 其中又分为未初始化区（或初始化为0的数据）和已初始化区。

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func() {
	static int a = 0;
	int b = 0;
}

如上代码，如果函数内的参数被static修饰，则其在程序开始时便被初始化为0，而b则需要func被调用时才初始化。

类中被static修饰的变量也一样，此时，变量归属于这个类，而不是具体某个对象：

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Class {
	static int a;
	int b;
}

调用b可以用Class的实例调用，如cls1.b，但cls1.a不行，这是因为a属于这个类，需要Class::a来访问a（这里把Class换成结构体Struct也是如此）。

其他说明：

堆和栈是相向的，设堆heap，栈stack， 他们在内存中是heap---> ... <---stack，这里从左往右对应从上至下，中间...是未使用区域，这样可以更好的分配内存。

查看数据区bss和data的分配

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int a;
int main() {
	static int b[3] = {1, 2, 3};
	static char c;
}

将上述代码存入test.cpp，并gcc -c汇编至test.o，使用objdump -h test.o命令查看简要信息可发现：

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Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         0000005d  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  1 .data         0000000c  0000000000000000  0000000000000000  000000a0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000006  0000000000000000  0000000000000000  000000ac  2**2
                  ALLOC
  3 .init_array   00000008  0000000000000000  0000000000000000  000000b0  2**3
  ...

其中data区的大小是c，转换为十进制便是12，这是因为初始化的c数组占了12字节。这里bss段占6个字节，其中a占3字节，c占1字节，bss段本身1字节。

动态分配内存

首先说明动态是什么意思，动态的意思是说程序运行时动态加载、释放，相应的，静态指编译时就确定的，如全局变量，这个地址编译时就确定了，所以一般不说静态内存管理。

C中用malloc, calloc, realloc和free，C++中是new和delete（注意，这两个是操作符），new需配合使用delete。

注意C++中仍保留了malloc，但new不只是分配了内存，它还创建了对象。

new delete 注意事项

语法，单个数据：

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数据类型 *指针变量 = new 数据类型;
delete 指针变量;
// int *p = new int;
// delete p;

对于单个数据来说，即对相应的地址分配内存，如在指针变量上连续分配数据类型的大小（注意这里不需要sizeof了），同样对指针变量进行释放。

注意，分配如果失败需要检查p是否为空：

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int * foo;
foo = new (nothrow) int [5];
if (foo == nullptr) {
  // error assigning memory. Take measures.
}

这里nullptr是C++11引入的，用于表示空指针，NULL虽然也可以，但实际上NULL被定义为整数0，可能会导致类型错误。

如上述例子，nothrow即告诉编译器分配失败不要抛出异常，其次为如果是空指针的逻辑。

注意：

不要删除同一个地址多次，这和使用未知内存的风险是一样的，如int a = new int, int* b = &a， 如果此时delete b，则不需要释放a，因为a/b是同一个地址，再次释放很可能会该地址已经被重新使用了。

语法，数组：

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数据类型 *指针变量 = new 数据类型[大小];
delete[] 指针变量;
// int *p = new int[10];
// delete[] 指针变量;

同样的，这里连续分配了10个int大小的空间，这里也可以用*p; *(p+1)来访问元素，删除时则需告知编译器是数组。

new的优势：

  • new操作符能被重载
  • 内存不足会抛出异常
  • 注意new创建后返回的数据类型不再需要类型准换
  • 不需要使用sizeof了
  • 可以初始化对象
cpp, syntax
cpp
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权

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