【C/C++】4.C++的内存管理

1. C++内存区域

     C++程序的内存通常分为以下几部分：

    ① 代码区（Code Segment）

• 存储程序的机器代码，即编译后的可执行代码。代码区通常是只读的，以防止代码在运行时被意外修改，确保安全性。
• 代码区在程序加载时由操作系统分配。

    ② 全局/静态区（Data Segment）

• 全局变量和静态变量：存储生命周期为整个程序运行时的变量，分为已初始化区和未初始化区（BSS段）。
  • 已初始化数据段：存放已初始化的全局变量和静态变量。
  • 未初始化数据段（BSS段）：存放未初始化的全局变量和静态变量，系统会将其初始化为零。
• 常量区：存储字符串字面量和const修饰的全局或静态变量等，这些内容在程序运行期间不可修改。

    ③ 堆区（Heap Segment）

• 堆区用于动态内存分配（如使用new或malloc），由程序员手动管理（分配和释放）。
• 堆的增长方向通常是从低地址向高地址增长。由于堆区不受程序自动管理，如果分配的内存未被释放，可能会导致内存泄漏。
• C++的new操作符会从堆中分配内存，并在其不再使用时调用delete释放。

    ④ 栈区（Stack Segment）

• 栈区用于存储局部变量、函数参数和返回地址等数据，每当函数被调用时分配内存，函数结束时自动释放。
• 栈的增长方向通常是从高地址向低地址增长。
• 栈内存由操作系统管理，具有分配速度快的特点，但容量有限，栈溢出可能导致程序崩溃。
• 栈的布局一般包括栈帧、返回地址和参数信息等，用于维护函数调用的上下文。
• 栈的分配速度快，堆则稍慢，但堆的容量通常大于栈。

    内存布局示意图：

    

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2. 内存管理方式

2.1 栈上分配

    栈上的内存分配和释放是自动完成的，不需要程序员手动管理。栈内存用于存储局部变量、函数参数等临时数据。

 

  void exampleFunction() {

     int x = 10; // x 是栈上的局部变量

     int y = 20; // y 是栈上的局部变量

  } // exampleFunction结束后，x 和 y 的内存会自动释放

2.2 堆上分配

    堆上内存分配是动态的，需要程序员手动分配和释放。new运算符用于在堆上分配内存，delete用于释放内存。

 

  void exampleFunction() {

    int* ptr = new int(10); // 动态分配一个int类型的内存，初始值为10

    delete ptr; // 释放内存

  }

• 动态数组分配：
   

  int* array = new int[5]; // 分配一个包含5个整数的数组

  delete[] array; // 使用 delete[] 释放数组

注意：

     如果没有及时使用delete释放内存，就会导致内存泄漏（memory leak）。这是因为在程序运行期间，未释放的内存将无法被再次使用。

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3. 智能指针（Smart Pointers）

     在现代C++中，智能指针用于简化内存管理，减少内存泄漏的风险。C++11提供了几种常见的智能指针：

• std::unique_ptr：
  独占式所有权，表示该对象只有一个所有者，离开作用域时会自动释放内存。

   

  #include <memory>

  std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10); // 自动释放内存

• std::shared_ptr：
  共享所有权，可以有多个指针指向同一个对象。当最后一个指向对象的shared_ptr被销毁时，对象的内存才会被释放。

   

  #include <memory>

  std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);

  std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;   // ptr1 和 ptr2共享同一个对象

• std::weak_ptr：
  辅助shared_ptr使用，不会增加对象的引用计数，常用于解决shared_ptr循环引用的问题。

   

  #include <memory>

  std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(10);

  std::weak_ptr<int> weakPtr = sharedPtr;  // weakPtr不会影响sharedPtr的引用计数

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4. 常见的内存管理问题

4.1 内存泄漏（Memory Leak）

      内存泄漏是指程序在堆上分配了内存，但没有释放，导致内存永久占用。长时间运行的程序（如服务器）如果出现内存泄漏，可能会耗尽系统内存。

      示例：

 

   void memoryLeakExample() {

       int* ptr = new int(10); // 忘记释放 ptr，导致内存泄漏

   }

4.2 悬空指针（Dangling Pointer）

      悬空指针指的是指向已经被释放内存的指针，若尝试访问该内存会导致未定义行为。

      示例：

 

   void danglingPointerExample() {

      int* ptr = new int(10);

      delete ptr; // 释放内存

      // ptr 现在是悬空指针

   }

4.3 野指针（Wild Pointer）

      野指针是指未初始化的指针，其指向未知的内存地址，容易导致程序崩溃。

      示例：

 

   void wildPointerExample() {

       int* ptr; // 未初始化，ptr是野指针

       *ptr = 10; // 可能导致程序崩溃

   }

5. C++ RAII原则

      RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）是一种重要的内存管理原则。
      它强调在构造对象时获取资源，并在对象销毁时释放资源。智能指针和标准库容器（如std::vector）都遵循RAII原则，可以自动管理内存的分配和释放，减少了手动管理的麻烦。遵循RAII原则可以有效减少内存管理的错误，提高程序的安全性和健壮性。

     示例：

 

  #include <iostream>

  #include <vector>

  void raiiExample() {

     std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5}; // 使用 vector 自动管理内存

     // vector 离开作用域时自动释放内存

  }