内存

1 请说说内存分布模型⭐⭐⭐⭐⭐

如上图，从低地址到高地址，一个程序由代码段、数据段、BSS段、堆栈段组成。

1.代码段：存放程序执行代码的一块内存区域。只读，不允许修改，代码段的头部还会包含一些只读的常量，如字符串常量字面值（注意：const变量虽然属于常量，但是本质还是变量，不存储于代码段）。

2.数据段data：存放程序中已初始化的全局变量和静态变量的一块内存区域。

3.BSS 段：存放程序中未初始化的全局变量和静态变量的一块内存区域。

4.可执行程序在运行时又会多出两个区域：堆区和栈区。

• 堆区：动态申请内存用。堆从低地址向高地址增长。
• 栈区：存储局部变量、函数参数值。栈从高地址向低地址增长。是一块连续的空间。

5.最后还有一个文件映射区（共享区），位于堆和栈之间。

2 堆和栈的区别⭐⭐⭐⭐⭐

1.堆栈空间分配不同。栈由操作系统自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等，栈有着很高的效率；堆一般由程序员分配释放，堆的效率比栈要低的多。

2.堆栈缓存方式不同。栈使用的是一级缓存， 它们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放；堆则是存放在二级缓存中，速度要慢些。

3.空间大小： 栈的空间大小并不大，一般最多为2M，超过之后会报Overflow错误。堆的空间非常大，理论上可以接近3G。（针对32位程序来说，可以看到内存分布，1G用于内核空间，用户空间中栈、BSS、data又要占一部分，所以堆理论上可以接近3G，实际上在2G-3G之间）

4.能否产生碎片： 栈的操作与数据结构中的栈用法是类似的。‘后进先出’的原则，以至于不可能有一个空的内存块从栈被弹出。因为在它弹出之前，在它上面的后进栈的数据已经被弹出。它是严格按照栈的规则来执行。但是堆是通过new/malloc随机申请的空间，频繁的调用它们，则会产生大量的内存碎片。这是不可避免地。

3 请你说说内存泄露⭐⭐⭐⭐⭐

简单地说就是申请了一块内存空间，使用完毕后没有释放掉。

（1）new和malloc申请资源使用后，没有用delete和free释放；

（2）子类继承父类时，父类析构函数不是虚函数。

（3）比如文件句柄、socket、自定义资源类没有使用对应的资源释放函数。

（4）shared_ptr共享指针成环，造成循环引用计数，资源得不到释放。

有以下几种避免方法：

• 第一：良好的编码习惯，使用了内存分配的函数，一旦使用完毕,要记得使用其相应的函数释放掉。
• 第二：将分配的内存的指针以链表的形式自行管理，使用完毕之后从链表中删除，程序结束时可检查改链表。
• 第三：使用智能指针。
• 第四：一些常见的工具插件可以帮助检测内存泄露，如ccmalloc、Dmalloc、Leaky、Valgrind等等。

4 在函数中申请堆内存需要注意什么？⭐⭐⭐⭐⭐

（在函数中申请堆内存时，需注意以下要点：

内存申请环节

• 检查返回值：使用 malloc、calloc、realloc 或 new 申请内存后，要检查返回值。C 语言中若为 NULL 代表申请失败，C++ 则可能抛出异常，程序应做相应错误处理。
• 精准计算大小：根据实际需求准确计算所需内存字节数，传给相应的内存分配函数。

内存使用环节

• 防止越界访问：操作堆内存时，要确保在申请的内存范围内进行，避免越界引发数据破坏或未定义行为。
• 及时初始化：申请的堆内存值是未定义的，若有特定值需求，要及时初始化。

内存释放环节

• 避免内存泄漏：函数结束前，用 free（C 语言）或 delete/delete[]（C++）释放内存。若函数有多个返回路径，要在各路径上都释放内存。
• 避免重复释放：对同一块内存多次释放会导致未定义行为，释放后可将指针置为 NULL 以防误操作。

其他方面

• 线程安全：多线程环境下，多个线程同时操作堆内存可能产生竞争条件，需用同步机制保证安全。
• 减少内存碎片：频繁申请和释放小块内存会导致碎片，可考虑使用内存池技术提升内存利用率。

5 请你说说内存碎片⭐⭐⭐⭐⭐

内存碎片是在计算机内存管理中出现的一种现象，会对系统性能和内存使用效率产生影响。下面将从其定义、产生原因、分类以及影响和解决办法等方面进行详细介绍。

定义

• 内存碎片指的是内存中无法被有效利用的小块空闲内存区域。随着程序不断地申请和释放内存，原本连续的大块内存会被分割成许多不连续的小块，这些小块内存由于太小，可能无法满足后续程序对内存的需求，从而造成内存空间的浪费。

产生原因

• 动态内存分配与释放：程序在运行过程中频繁地进行内存的申请和释放操作。例如，一个程序先申请了一块较大的内存区域，之后释放了其中一部分，这时就会形成一些空闲的内存小块。后续再申请内存时，如果这些小块内存不能满足需求，就会造成碎片。
• 内存分配粒度不一致：不同的程序或进程对内存的需求大小不同，当操作系统按照一定的规则进行内存分配时，可能会导致内存分配的粒度不一致。比如，一个程序需要 10KB 的内存，而操作系统只能以 16KB 为单位进行分配，那么就会产生 6KB 的空闲内存，这部分内存可能就会成为碎片。
• 程序的内存使用模式：某些程序的内存使用模式可能会加剧内存碎片的产生。例如，一些程序会频繁地创建和销毁对象，这些对象的生命周期不同，导致内存的分配和释放时间不一致，从而增加了内存碎片的可能性。

分类

• 内部碎片：指的是已经分配给进程的内存空间中，由于分配策略的原因而未被利用的部分。例如，操作系统为一个进程分配了一个固定大小的内存块，但该进程实际使用的内存小于这个块的大小，剩余的部分就成为了内部碎片。
• 外部碎片：指的是内存中存在许多不连续的空闲小块，这些小块内存的总和可能足够满足一个新的内存请求，但由于它们不连续，无法合并成一个足够大的连续内存块，从而导致无法满足请求。

影响

• 降低内存利用率：内存碎片会使系统中存在大量无法被有效利用的空闲内存，导致内存的实际利用率降低。这意味着即使系统中还有空闲内存，但由于碎片的存在，程序可能无法申请到足够的连续内存空间，从而影响程序的正常运行。
• 增加内存分配时间：当程序需要申请内存时，操作系统需要花费更多的时间来寻找足够大的连续内存块。如果内存碎片严重，可能需要遍历大量的空闲内存块才能找到合适的位置，这会增加内存分配的时间开销，降低系统的性能。
• 限制程序的运行：在极端情况下，内存碎片可能会导致系统无法为程序分配足够的内存，即使系统的物理内存总量还足够。这会使程序无法正常启动或运行，甚至可能导致系统崩溃。

解决办法

• 内存紧凑：通过将分散的内存块移动到一起，合并成一个连续的大块内存，从而消除外部碎片。但这种方法需要暂停程序的运行，并且可能会消耗较多的系统资源。
• 采用更合理的内存分配算法：如伙伴系统算法、位图算法等，这些算法可以更好地管理内存，减少内存碎片的产生。例如，伙伴系统算法将内存按照 2 的幂次方进行划分和分配，能够有效地减少外部碎片。
• 内存池技术：对于一些频繁进行内存分配和释放的程序，可以使用内存池技术。内存池预先分配一大块连续的内存，然后根据程序的需求进行小块内存的分配和回收，这样可以减少内存碎片的产生，提高内存分配的效率。

6 请你说说malloc内存管理原理⭐⭐⭐⭐⭐

malloc 是 C 语言标准库中用于动态内存分配的函数，其原型为 void *malloc(size_t size)，作用是在堆内存中分配指定大小（size 字节）的连续内存块，并返回指向该内存块起始地址的指针。若分配失败，则返回 NULL。下面详细介绍 malloc 的内存管理原理。

堆内存

• 在程序运行时，操作系统会为其分配不同类型的内存区域，如栈、堆、数据段和代码段。malloc 所分配的内存位于堆区。与栈不同，堆内存的分配和释放需由程序员手动控制。

空闲内存块管理

操作系统或 C 运行时库会维护一个空闲内存块列表，用于记录堆中尚未被分配的内存区域。这些空闲内存块会以链表或其他数据结构的形式组织起来，每个空闲内存块包含两部分信息：

• 元数据：包含内存块的大小、是否已分配等信息。
• 数据区域：供程序使用的实际内存空间。

malloc 工作流程

搜索空闲内存块：当调用 malloc(size) 时，系统会在空闲内存块列表中查找大小足够的空闲内存块。搜索算法有多种，常见的有首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法：

• 首次适应算法：从空闲内存块列表的头部开始搜索，找到第一个大小不小于 size 的空闲内存块就进行分配。
• 最佳适应算法：遍历整个空闲内存块列表，找到大小最接近 size 的空闲内存块进行分配。
• 最坏适应算法：选择最大的空闲内存块进行分配。

分割内存块：若找到的空闲内存块大小比 size 大，系统会将其分割成两部分：一部分大小为 size，分配给程序；另一部分作为新的空闲内存块，重新加入空闲内存块列表。