1、C+ 内存管理之一（变量） 本章主要介绍几个概念（1）变量和常量变量的基本类型：bool、char、int、short、long、float、double，注意个变量的所占的字节数。常量分类：宏常量、const 常量、字符串常量，注意宏常量和 cons 常量之间的区别。#define MAX 100 /宏常量 const int MAX = 100; / C+ 语言的 const 常量char *p=“hello world“; /字符串常量（2）全局变量和静态变量全局变量：静态存储方式，具有全局作用域。全局变量只需在一个源文件中定义，就可以作用于所有的源文件，要用 extern 关键字再次声
2、明这个全局变量。静态变量：静态存储方式，其由于作用域不同而分为静态全局变量和静态局部变量。静态全局变量作用于其定义它的源文件里，不能作用到其它源文件，即被 static 关键字修饰过的变量具有文件作用域。静态局部变量只对定义自己的函数体始终可见。即若全局变量加上 static，可改变其作用域，不改变其内 存存储位置，而局部变量加上 static，则改变其内存存储位置，不改变其作用域。之所以也引入静态变量是因为，在函数内部定义的变量，在程序执行到它的定义处时，编译器为它在栈上分配空间，而函数在栈上分配的空间在此函数执行结 束时会释放掉，这样就产生了一个问题: 如果想将函数中此变量的值保存至下一次
3、调用时，如何实现？ 最容易想到的方法是定义一个全局的变量，但定义为一个全局变量有许多缺点，最明显的缺点是破坏了此变量的访问范围（使得在此函数中定义的变量，不仅仅受此 函数控制）。关于静态变量 static 的一个小小的测试：#include using namespace std; int Test(int a)static int b=5;b+=a;return b;int main() int a=Test(10);coutaendl;int b=Test(20);coutbendl;return 0; 1、C+编译的程序占用的内存分类（1）栈区（stack）：程序运行时由编译器自动分配，
4、存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。程序结束时由编译器自动释放。（2）堆区（heap） ：在内存开辟另一块存储区域。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。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。（3）全局静态区（static）：编译器编译时即分配内存。全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量 和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。（4）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。（5）程序代码区：存放函数体（类成员函数
5、和全局函数）的二进制代码。2、内存分配方式有三种（1）从静态存储区域分配：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static 变量。（2）在栈上创建：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。（3）从堆上分配：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用 malloc 或 new 申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用 free 或 delete 释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。3、C+变量内存分
6、布通过程序加以说明（1）变量分布View Code 运行结果：View Code 分析结果（debug）：（1）变量在内存地址的分布为：栈-堆-代码区-全局静态-文字常量区（2）同一区域的各变量按声明的顺序在内存的中依次由低到高分配空间，但栈中是由高到低的。（3）全局变量和静态变量如果不赋值，默认为 0。 栈中的变量如果不赋值，则是一个随机的数据。（4）编译器会认为全局变量和静态变量是等同的，已初始化的全局变量和静态变量分配在一起，未初始化的全局变量和静态变量分配在另一起。（2）函数分布View Code 运行结果View Code 结果分析：主函数中栈的地址都要高于子函数中参数及栈地址，证明
7、了栈的伸展方向是由高地址向低地址扩展的。主函数和子函数中静态数据的地址也是相邻的，说明程序会将已初始化的全局变量和表态变量分配在一起，未初始化的全局变量和表态变量分配在另一起。程序变量分区中栈和堆的区别（1）申请方式stack: 由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为 b 开辟空间。heap: 需要程序员自己申请，并指明大小，在 C 中 malloc 函数，C+中是 new运算符。如 p1 = (char *)malloc(10); p1 = new char10;如 p2 = (char *)malloc(10); p2 = new char20;但
8、是注意 p1、p2 本身是在栈中的。（2）申请后系统的响应栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。堆：首先应该知道操 作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删 除，并将该结点的空间分配给程序。对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete 语句才能正确的释放本内 存空间。由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。（3）申请大小的限制栈：在 Windows 下
9、,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大 容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是 2M（也有的说是 1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示 overflow。因 此，能从栈获得的空间较小。堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。（4）申请效率的比较栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。堆是
10、由 new 分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。（5）堆和栈中的存储内容栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数 的各个参数，在大多数的 C 编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然 后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。（6）存取效率的比较char s1 = “a“;char *s2 = “b“
11、;a 是在运行时刻赋值的；而 b 是在编译时就确定的；但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。 比如：int main()char a = 1;char c = “1234567890“;char *p =“1234567890“;a = c1;a = p1;return 0;对应的汇编代码10: a = c1;00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr ebp-0Fh0040106A 88 4D FC mov byte ptr ebp-4,cl11: a = p1;0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr eb
12、p-14h00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr edx+100401073 88 45 FC mov byte ptr ebp-4,al第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器 cl 中，而第二种则要先把指针值读到 edx 中，再根据 edx 读取字符，显然慢了。（7）小结堆和栈的主要区别由以下几点：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
13、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。当然，这个值可以修改。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。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，
14、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 malloca 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
15、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
16、，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。C+ 内存管理之四（new/delete vs malloc/free） new/delete vs malloc/freemalloc 与 free 是 C+/C 语言的标准库函数，new/delete 是 C+的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用 maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造 函数，
17、对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于 malloc/free 是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的 任务强加于 malloc/free。因此 C+语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符 new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符 delete。注意new/delete 不是库函数。既然 new/delete 的功能完全覆盖了 malloc/free，为什么 C+不把malloc/free 淘汰出局呢？这是因为 C+程序经常要调用 C 函数，而 C 程序只能用 malloc/free 管理动态内存C+ 内存管理之五（数组 vs 指针）
18、 C+/C 程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的。但二者有着本质的区别：数组：要么在静态存储区被创建(如全局数组)，要么在栈上被创建。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命期内保持不变，只有数组的内容可以改变。指针：可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。下面以字符串为例比较指针与数组的特性:（1）修改内容实例 1 代码中，字符数组 a 的容量是 6 个字符，其内容为 hello。a 的内容可以改变，如 a0= X。指针 p 指向常量字符串“world”（位于静态
19、存储区，内容为 world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句 p0= X有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。实例 1 修改数组和指针内容char a = “hello”;a0 = X;cout a endl;char *p = “world”; / 注意 p 指向常量字符串p0 = X; / 编译器不能发现该错误cout p endl;（2）内容复制与比较不能对数组名进行直接复制与比较。示例 2 中，若想把数组 a 的内容复制给数组 b，不能用语句 b = a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy 进行复制。同理，比较
20、b 和 a 的内容是否相同，不能用 if(b=a) 来判断，应该用标准库函数 strcmp 进行比较。指针应用中，语句 p = a 并不能把 a 的内容复制指针 p，而是把 a 的地址赋给了 p。要想复制 a 的内容，可以先用库函数 malloc 为 p 申请一块容量为strlen(a)+1 个字符的 内存，再用 strcpy 进行字符串复制。同理，语句if(p=a) 比较的不是内容而是地址，应该用库函数 strcmp 来比较。实例 2 数组和指针的内容复制与比较/ 数组char a = “hello“;char b10;strcpy(b, a); / 不能用 b = a;if(strcmp(
21、b, a) = 0) / 不能用 if (b = a)/ 指针int len = strlen(a);char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1);strcpy(p,a); / 不要用 p = a;if(strcmp(p, a) = 0) / 不要用 if (p = a)（3） 计算内存容量用运算符 sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。示例 3（a）中，sizeof(a)的值是 12（注意别忘 了）。指针 p 指向 a，但是 sizeof(p)的值却是 4。这是因为 sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数，相当于 sizeof(c
22、har*)，而不是 p 所指的内存容量。C+/C 语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记住它。注意当数组作为函数的参 数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。示例 7-3-3（b）中，不论数组 a 的容量是多少，sizeof(a)始终等于 sizeof(char *)。实例 3(a) 计算数组和指针的内存容量char a = “hello world“;char *p = a;cout sizeof(a) endl; / 12 字节cout sizeof(p) endl; / 4 字节实例 3(b) 数组退化为指针void Func(char a100)cout sizeo
23、f(a) endl; / 4 字节而不是 100 字节（4）指针参数是如何传递内存的？如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。示例4(a)中，Test 函数的语句 GetMemory(str, 200)并没有使 str 获得期望的内存，str 依旧是 NULL，为什么？实例 4(a) 试图用指针参数申请动态内存void GetMemory(char *p, int num)p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);void Test(void)char *str = NULL;GetMemory(str, 100); / str 仍然为 N
24、ULL strcpy(str, “hello“); / 运行错误毛病出在函数 GetMemory 中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数 p 的副本是 _p，编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p 的内容，就导致参数 p 的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p 申请了新的内存，只是把 _p 所指的内存地址改变了，但是 p 丝毫未变。所以函数 GetMemory 并不能输出任何东西。事实上，每执行一次 GetMemory 就会泄露一块内存，因 为没有用 free 释放内存。如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，
25、见示例 4(b)实例 4(b) 用指向指针的指针申请动态内存void GetMemory2(char *p, int num)*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);void Test2(void)char *str = NULL;GetMemory2( / 注意参数是 cout str endl;free(str); 由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例 4(c)实例 4(c) 用函数返回值来传递动态内存char *GetMemory3(int num)char *p = (char *
26、)malloc(sizeof(char) * num); /返回堆中的地址return p;void Test3(void)char *str = NULL;str = GetMemory3(100); strcpy(str, “hello“);cout str endl;free(str); 用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把 return语句用错了。这里强调不要用 return 语句返回指向“栈内存”的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡，见示例 4(d)实例 4(d) return 语句返回指向“栈内存”的指针char *GetString(void)char p
27、 = “hello world“; /返回栈中的地址return p; / 编译器将提出警告void Test4(void)char *str = NULL;str = GetString(); / str 的内容是垃圾cout str endl;用调试器逐步跟踪 Test4，发现执行 str = GetString 语句后 str 不再是NULL 指针，但是 str 的内容不是“hello world”而是垃圾。如果把示例 4(d)改写成示例 4(e)，会怎么样？实例 4(e) return 语句返回常量字符串char *GetString2(void)char *p = “hello world“;return p;void Test5(void)char *str = NULL;str = GetString2();cout str endl;函数 Test5 运行虽然不会出错，但是函数 GetString2 的设计概念却是错误的。因为 GetString2 内的“hello world”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用 GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。
