1.C++内存管理

这是一个老生常谈的话题，内存管理是C++程序员应学习的基础能力，同时也是校招、社招面试中让候选人头疼的问题。掌握内存管理的C++程序员可以从中获得了更好的性能，更大的自由；但稍有不慎则会内存泄漏、core dump。因此，本篇文章从介绍C++内存管理入手，介绍C++程序员应该掌握的内存管理基础知识，进一步的介绍智能指针的概念以及shared_ptr的使用方法。

1.1 C++内存分配(内存分区)

如图所示：C++进程的内存空间被分为：

• 栈：用于维护函数调用的上下文空间，包括：程序临时创建的局部变量，也就是“{}”中定义的变量（不包括static声明的变量）; 函数调用时，编译器会将调用处的运行状态压栈，再将调用函数的返回地址、调用函数的参数、调用函数定义的临时变量依次压栈；由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。栈内存分配运算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，可用ulimit -s查看。
• 堆：用于存放进程运行中被动态分配的内存段，C++程序中使用malloc申请的空间在堆上，因此它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。进程调用malloc函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上；进程调用free函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除，若未调用free释放，则会导致内存泄漏；因此，堆空间的操作给了C++程序很大的自由。
• .bss段(Block Started by Symbol)：用来存放程序中未初始化的全局变量、静态变量（局部+全局）以及所有被初始化为0的全局变量或静态变量。
• .data段：用来存放程序中已初始化的全局变量/静态变量的内存区域。
• .text段：用来存放程序执行代码的一块内存区域，该内存区域通常属于只读。text段也称为代码段，包括只读存储区和文本区，只读存储区存储一些常量（常量字符串和#define定义的常量，这些常量不可以被寻址），文本区存储程序的执行代码。
• mmap：存储动态链接库以及调用mmap方法进行内存映射的存储区域。

1.2 栈区与堆区的区别

至此，已经了解了C++进程的内存分区以及各个分区存放内容和性质。对于C/C++程序来说，栈区和堆区是程序函数调用和变量内存使用的主要区域，那么栈区和堆区有什么区别呢？

• 内存分配方式：栈由编译器自动进行动态分配与释放，是“先进后出”的连续内存存储结构，分配和回收效率较高。堆由malloc/delete系统调用进行动态分配与释放，由程序主动申请并主动释放，是非连续的存储结构，分配和回收效率较低，容易产生内存碎片。
• 内存分配响应：若栈剩余空间大于申请空间，则系统分配，否则抛栈溢出的异常；操作系统将堆空间划分为不连续的内存块，并按链式结构存储所有内存块，收到内存申请时遍历该链表，并返回第一个内存块空间大于所申请空间的堆结点，大于申请大小的多余部分将重新放入空闲链表。
• 内存生长方式：栈是向低地址扩展的数据结构，因为栈顶地址和栈的最大容量是预先设定好的，可获得的空间较为有限；堆是向高地址扩展的数据结构，因为链表的遍历方式是由低到高，堆的大小受限于系统中的虚拟内存。

1.3 new/delete与malloc/free的相同与异同

new/delete operator是C++内建的操作符,不能修改它的行为，new operator只做两件事：(1)调用operator new函数分配一块足够大、原始的、未命名的内存空间；(2) 调用对象的构造函数。 通常情况下，operator new以标准C的malloc()方法实现内存申请，operator delete比标准C的free()方法实现内存释放。但operator new/delete可以看做普通的函数，它可以根据不同的内存申请和释放策略被重载。 new/delete与malloc/free的不同之处可总结为以下几点：

• 参数：new申请内存分配时无需指定内存块的大小，而malloc需显式指定内存块大小。

void *operator new(size_t size); 
void operator delete(void *p);
void *malloc(size_t __size);
void free(void *);

• 返回值类型：若分配成功，new返回对象类型的指针，malloc返回void*类型指针；若分配失败，new抛出异常，malloc返回NULL。

• 分配方式：new/delete operator调用参数类型的构造/析构函数；malloc/free不会。

new 操作符的执行过程：1. 调用operator new分配内存 ； 2. 调用构造函数生成类对象； 3. 返回相应类型指针。

• 属性和操作上：new/delete可以对其进行重载以获得更大的内存操作自由度；malloc/free是C语言的系统函数，其本质是调用brk/sbrk系统调用。 一个new/delete和malloc/free的代码示例： 案例中，定义一个类NowCoder,在构造函数和析构函数中打印相应的日志。在main函数中，分别使用new/detele和malloc/free去创建和删除NowCoder对象。

##1.4 重载operator new/delete

对于C++程序员来说，动态的申请和释放堆内存使得程序具有更大的内存自由度；但无论是使用new/delete，还是使用malloc/free，始终是操作系统在堆中寻找内存空间进行内存分配和释放；这也使得堆内存具有分配/回收效率低，存在内存碎片等缺点。C++程序员可以通过重载new/delete操作符，将内存申请和释放的操作由编写的程序控制，而非操作系统去管理，这也是C++内存池的基本思想。因此，本节介绍如何重载operator new/delete，内存池在下一节继续介绍。

如下述代码所示：首先，在类NowCoder中重载了operator new/delete，使其首先打印一句话，再调用malloc申请内存，并返回malloc申请的内存地址。由于类内部定义了operator new，那么在执行new operator时，会调用类内部定义的operator new，而不是全局的。如果重载了全局的operator new/delete，那么该进程在进行new/delete时都将调用程序员定义的operator new/delete, 这也就给予了C++程序员极大的内存管理自由度。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class NowCoder
{
public:
    NowCoder() {}
    void* operator new(size_t size)
    {
        cout << "call NowCoder::operator new" << endl;
        return malloc(size);
    }
    void operator delete(void* p)
    {
        cout << "call NowCoder::operator delete" << endl;
        return free(p);
    }
private:
    int a;
};
int main()
{
    NowCoder* example1 = new NowCoder();
    delete example1;
}

运行结果为：

2.智能指针概述

内存泄漏：指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。对于堆内存来说，若C++程序员使用new/malloc申请了一段内存后，忘记使用delete/free进行内存释放，那么就会导致申请的内存不被该程序进程控制，从而导致堆内存泄漏。

为了保护堆内存，使得C++程序员避免因疏忽而忘记释放堆内存，C++标准库提供了一套智能指针用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象，这使得智能指针的表现与普通指针类似，并且当智能指针对象的生存周期结束后，会在智能指针的析构函数中释放掉该指针管理的内存，从而防止内存泄漏。

C++标准库提供了4个智能指针，分别是：auto_ptr,unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr,其中后三个为C++11的新特性，并且auto_ptr在C11后被弃用。

2.1 unique_ptr

unique_ptr是独占式智能指针，实现了唯一拥有的语义，它保证一个实例对象同一时间只能有一个unique_ptr指向该对象 在C++11的标准库中定义了智能指针unique_ptr，该类是一个模板类，T指得是托管对象的类型，D指得是deleter类型，默认为default_deleter(在unique_ptr析构时调用)。

#include <memory>
#include <string>
template <class T, class D = default_delete<T>> 
class unique_ptr;
unique_ptr<string> p1(new string("I am Evila."));  // p1是一个unique_ptr实例，它指向了一个string对象

unique_ptr<string> p2；
p2 = p1； // 不允许，尝试复制p1时在编译时报错

p1将托管对象所有权转移给p2不能进行简单的赋值，因为可能会留下悬挂的p1仍然指向托管对象，从而失去了独占的语义。C++标准库提供了std::move()函数，去转移unique_ptr的所有权。

unique_ptr<string> p1(new string("I am Evila."));  // p1是一个unique_ptr实例，它指向了一个string对象
unique_ptr<string> p2；
p2 = move(p1);

2.2 shared_ptr

shared_ptr是共享式智能指针，实现了共享式的管理概