C++入门C/C++的内存管理介绍

Posted 2022-09-27 正在起飞的蜗牛

1、为什么要研究内存管理?

(1)程序员写的程序可以分为动态和静态两种状态。静态：就是程序被存放在ROM中，也就是磁盘、固态硬盘、eMMC等存储介质；动态：程序被执=行，此时程序在RAM内存中运行；
(2)内存是计算机中十分重要的资源。首先几乎所有的程序运行时都需要内存
(3)内存资源很有限，32位的CPU理论上最多接4G内存(实际都不支持接4G)，虽然64位的CPU可以接足够大的内存，但是内存本身很贵(查查内存条的价格和容量就知道)，并且内存接太多发热和功耗也是一个问题；
(4)现在计算机中内存是由操作系统同一管理，程序员写的程序都是通过操作系统提供的API去申请内存(使用的虚拟内存)，操作系统只是提供相对基础的内存管理，防止不了程序员写一些低质量代码造成内存泄漏；
(5)高级语言会对操作系统提供的内存管理接口进行进一步封装，增加一些新的特性，降低程序员的编程难度；比如：C++提供new和delete机制来管理内存；

2、计算机中如何管理内存

(1)OS提供最基本的内存管理体系，OS直接管理物理内存，并向应用层提供一套内存接口，应用层使用的是虚拟内存；
(2)C++写的项目基本都是运行在操作系统之上的，很少有裸机，C++封装了一套内存管理机制（new和delete）；
(3)编程人员写的代码在编译工具链、运行时、OS等体系的帮助下最终在计算机物理层运行；
(4)OS提供的只是申请、释放等最基本的内存管理功能，程序员可以根据自己的需求去申请、释放内存，内存管理由OS和程序员共同维护；

3、C/C++的可以内存区域划分

(1)栈区：对应局部变量；
(2)全局数据区/静态数据区：对应全局变量和静态局部变量；
(3)coanst数据区：就是我们在代码中用const关键字修饰的变量，但是内存管理中并不存在这里概念，是编译器提供的机制；
(4)代码段：存放我们写的程序，只读的；
(5)堆区(heap)：就是我们动态申请、释放的内存，malloc和free来管理；
(6)C++新增自由存储区：由new申请得到的动态内存区域；
总结：写代码中内存使用的风险主要来自于堆区，因为需要程序员来申请释放，完全由程序员的水平高低来确保内存管理是否正确；

4、new和malloc的区别

(1)malloc是C库函数，new是C++运算符关键字(C语言不支持new)；
(2)malloc申请大小由传参确定，而new不需要传参，对象本身大小由编译器自动计算出；
(3)malloc返回值是void *，因此需要强制类型转换，而new返回值类型为确定的对象指针类型；
(4)malloc对应free，new对应delete；
(5)malloc只单纯的负责申请内存，并不会对申请的内存做初始化，所以我们对malloc申请到的内存一般都会再memset清零，而new可以带初始化；
(6)new在申请内存时会执行类的构造函数，而malloc没有构造函数这个概念；
(7)malloc失败返回NULL，而new失败引发bad_alloc异常;
(8)在linux中，new内部是封装malloc实现的，增加了调用构造函数；
总结：malloc只是单纯的申请一块内存；new会对申请的内存做一些初始化工作，但是new的开销也更大；

5、解决内存管理的三种思路

(1)完全由程序员负责内存的申请、释放，典型：C语言的malloc和free；
(2)由程序员和内存自动管理机制共同管理内存，典型：C++的智能指针；
(3)完全由自动管理机制去管理内存，程序员不再操作内存的申请、释放，典型：java的垃圾回收机制；

6、C++引入智能指针

6.1、指针的优势和劣势

(1)指针变量本质上和其他类型变量没有区别，只不过指针变量存放的数据比较特殊(是一个地址)，可以解引用；
(2)指针变量对应于底层的寄存器间接寻址，所以指针的存在是十分必要的；
(3)指针的优势：灵活，允许程序员直接操作内存，给程序员的编程更多自由度，可以让程序员写出高效率的代码；
(4)指针的劣势：太灵活，如果程序员的水平不够高很容易写出垃圾代码，比如野指针问题、内存泄漏问题；当复杂业务中，和动态内存、构造、析构挂钩后，由于复杂度的提高程序员很容易出错；

6.2、智能指针的实现

(1)智能指针：将普通的简单纯指针封装成栈式符合指针对象；
(2)智能指针本身定义为局部变量，分配在栈内存上，并且是自动回收；
(3)当函数退出时，智能指针因为是局部变量会被弹栈，将智能指针指向的内存回收；
(4)智能指针的正常使用通过一些提供的方法和运算符重载来使用；

6.3、智能指针的优劣势

(1)智能指针是对普通指针的封装，增加了自动释放的机制，降低程序员的编程难度；
(2)智能指针进行动态内存管理，要比普通指针多出很多开销，毕竟新增加的特性都是需要开销的；
(3)智能指针的实现不是唯一的，C++有很多智能指针，各有优劣和适用场景，如：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::intrusive_ptr;

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