25、必考 | 大厂面试爱考的C++内存相关

C++内存相关

本篇介绍了 C++ 内存相关的知识。

C++内存分区

在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

栈：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。
堆：就是那些由 new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个 delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中。在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的。在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。
常量存储区：这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改。
代码段：代码段（code segment / text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

根据c/c++对象生命周期不同，c/c++的内存模型有三种不同的内存区域，即

自由存储区，动态区、静态区。
自由存储区：局部非静态变量的存储区域，即平常所说的栈。
动态区：用operator new ，malloc分配的内存，即平常所说的堆。
静态区：全局变量静态变量字符串常量存在位置。

下图为 C++ 内存模型，来自C++ Essentials。

.text 部分是编译后程序的主体，也就是程序的机器指令。
.data 和 .bss 保存了程序的全局变量，.data保存有初始化的全局变量，.bss保存只有声明没有初始化的全局变量。
heap（堆）中保存程序中动态分配的内存，比如 C 的malloc申请的内存，或者C++中new申请的内存。堆向高地址方向增长。
stack（栈）用来进行函数调用，保存函数参数，临时变量，返回地址等。
共享内存的位置在堆和栈之间。

更详细的内存段解释见C与C++内存管理详解。

下面的文章介绍了Linux虚拟地址空间布局。

C++对象的成员函数存放在内存哪里

类成员函数和非成员函数代码存放在代码段。如果类有虚函数，则该类就会存在虚函数表。虚函数表在Linux/Unix 中存放在可执行文件的只读数据段中(rodata)，即前面起到的代码段，而微软的编译器将虚函数表存放在常量段。

堆和栈的区别

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 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，栈顶和栈底是之前预设好的，大小固定，可以通过ulimit -a查看，使用ulimit -s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，它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。

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，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alloca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，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。