C++——内存管理
内存分布介绍
C++程序运行时，内存被分为几个不同的区域，每个区域负责不同的任务。
- 栈区（stack）：由编译器自动分配释放。用来存放局部变量、函数参参、返回值等，还有函数调用也是栈来管理；
- 堆区（heap）：用于存储动态分配的内存的区域，由程序员手动分配和释放。主要相关函数有malloc()和free()，new和delete操作符；
- 全局（静态）区：主要分为未初始化全局/静态区（.bass）和已初始化全局/静态区（.data）生命周期是整个程序运行期间。在程序启动时分配，程序结束时释放；
- 常量区（.rodata）：只读区，存储常量数据，如字符串常量等；
- 代码区（.text）：存放程序的代码；
堆与栈
说到C++的内存管理，那肯定要提到的两个就是堆和栈了，
栈是一种特殊的数据结构，遵循 “后进先出”（Last In First Out，LIFO）的原则，在程序执行过程中，堆栈主要用于存储临时数据，比如函数调用时的局部变量、函数参数和返回地址等。当一个函数被调用时，系统会在堆栈的顶部为其分配一块内存空间，用于存储该函数的局部变量和相关信息，这个过程称为 “压栈”（Push）。当函数执行结束后，这块内存空间会被自动释放，数据从堆栈中移除，这个过程称为 “出栈”（Pop）。由于堆栈的操作非常简单，只需要在栈顶进行压栈和出栈操作，所以它的速度非常快，
堆截然不同，是另一种用于存储数据的内存区域，它主要用于动态分配内存。与堆栈不同，堆中的数据存储顺序没有特定的规则，也不遵循 “后进先出” 的原则，更像是一个自由市场，你可以在任何时候根据需要申请或释放大小不同的内存块。在程序运行时，如果我们需要创建一个对象或者分配一块内存空间，就可以从堆中申请。例如，在 C++ 中，我们使用new关键字来从堆中分配内存；堆的优点是可以灵活地分配和释放内存，适合存储生命周期较长、大小不确定的数据。但是，由于堆的内存管理相对复杂，需要进行内存的分配和释放操作，所以它的速度相对较慢。
栈就像是一个高效的临时仓库，用于存储函数调用时的临时数据；而堆则像是一个自由市场，提供了更灵活的内存分配方式。它们在程序运行中都扮演着重要的角色，缺一不可。
栈的生命周期一般与函数的调用有关，当一个函数被调用时，系统会在堆栈的顶部为其分配一块内存空间，用于存储该函数的局部变量、函数参数和返回地址等信息，当函数执行结束后，它在堆栈中占用的内存空间会被自动释放。但是，由于堆栈的空间是有限的，如果在程序中不断地调用函数，或者在函数中定义大量的局部变量，就可能导致堆栈空间不足，从而引发栈溢出（Stack Overflow）错误。
堆的生命周期则由程序员手动控制，在 C++ 中，我们使用new关键字来从堆中分配内存，使用delete关键字来释放内存；在使用堆内存时，程序员需要特别注意内存的分配和释放，避免内存泄漏和内存占用时间过长等问题。可以通过及时释放不再使用的内存，或者在程序设计中合理规划对象的生命周期，来提高内存的使用效率。
内存泄露
内存泄漏(memory leak)是指由于疏忽或错误造成了程序未能释放掉不再使⽤的内存的情况。内存泄漏并⾮指内存 在物理上的消失，⽽是应⽤程序分配某段内存后，由于设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费。
什么情况下会导致内存泄露呢？
- 比如指针指向改变，未释放动态分配内存。
- 程序运行中根据需要分配通过malloc、new等从堆中分配一块内存完成后必须通过调用对应的free或者delete删掉。如果程序的设计的错误导致这部分内存没有被释放，那么此后这块内存将不会被 使⽤
- 程序使⽤系统分配的资源没有使⽤相应的函数释放掉，导致系统资源的浪 费，严重可导致系统效能降低，系统运⾏不稳定。
- 当基类指针指向⼦类对象时，如果基类的析构函数不是 virtual，那么⼦类的析构函数将不会被调⽤，⼦类的资源没 有正确是释放，因此造成内存泄露。
如何对其进行预防？
- 将内存的分配封装在类中，构造函数分配内存，析构函数释放内存；
- 使用C++11新特性智能指针；
解决方法里也说了要封装在类中，构造函数分配、析构函数释放。但是构造函数和析构函数要设为虚函数吗？
析构函数是需要的，当派⽣类对象中有内存需要回收时，如果析构函数不是虚函数，不会触发动态绑定，只会调⽤基类 析构函数，导致派⽣类资源⽆法释放，造成内存泄漏。
构造函数不需要，没有意义。虚函数调⽤是在部分信息下完成⼯作的机制，允许我们只知道接⼝⽽不知道对象的确 切类型。 要创建⼀个对象，你需要知道对象的完整信息。 特别是，你需要知道你想要创建的确切类型。 因此，构 造函数不应该被定义为虚函数。
new、malloc、delete、free
- new 是C++的运算符，可以为对象分配内存并调⽤相应的构造函数。
- delete 会调⽤对象的析构函数，确保资源被正确释放。
- malloc 是C语⾔库函数，只分配指定⼤⼩的内存块，不会调⽤构造函数。
- free 不了解对象的构造和析构，只是简单地释放内存块。
返回类型：
- new 返回的是具体类型的指针，⽽且不需要进⾏类型转换。
- malloc 返回的是 void* ，需要进⾏类型转换，因为它不知道所分配内存的⽤途。
内存分配失败时的⾏为：
- new 在内存分配失败时会抛出 std::bad_alloc 异常。
- malloc 在内存分配失败时返回 NULL 。
内存块⼤⼩：
- new 可以⽤于动态分配数组，并知道数组⼤⼩。
- malloc 只是分配指定⼤⼩的内存块，不了解所分配内存块的具体⽤途。
内存块释放后的行为：
- delete 释放的内存块的指针值会被设置为 nullptr ，以避免野指针。
- free 不会修改指针的值，可能导致野指针问题。
野指针
为什么会产生野指针？
- 释放后没有置空指针
- 返回局部变量的指针
- 释放内存后没有调整指针
- 函数参数指针被释放
如何避免？
- 在释放内存后将指针置为nullptr
- 避免返回局部变量的指针
- 使用智能指针
野指针是指向已经被释放或者⽆效的内存地址的指针。通常由于指针指向的内存被释放，但指针本身没有被置为 nullptr 或者重新分配有效的内存，导致指针仍然包含之前的内存地址。
悬浮指针是指向已经被销毁的对象的引⽤。当函数返回⼀个局部变量的引⽤，⽽调⽤者使⽤该引⽤时，就可能产⽣ 悬浮引⽤。访问悬浮引⽤会导致未定义⾏为，因为引⽤指向的对象已经被销毁，数据不再有效。
内存对齐
内存对⻬是指数据在内存中的存储起始地址是某个值的倍数。
在结构体中，编译器为结构体的每个成员按 其⾃然边界（alignment）分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第⼀个成员的地址和整 个结构体的地址相同。
⽐如4字节的int 型，其起始地址应该位于4字节的边界上，即起始地址能够被4整除，也即“对⻬”跟数据在内存中的位置有关。如果 ⼀个变量的内存地址正好位于它⻓度的整数倍，他就被称做⾃然对⻬。
需要字节对⻬的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。
假设上⾯整型变量的地址不是⾃然对⻬，⽐如为 0x00000002，则CPU如果取它的值的话需要访问两次内存，第⼀次取从0x00000002-0x00000003的⼀个short， 第⼆次取从0x00000004-0x00000005的⼀个short然后组合得到所要的数据，如果变量在0x00000003地址上的话 则要访问三次内存，第⼀次为char，第⼆次为short，第三次为char，然后组合得到整型数据。 ⽽如果变量在⾃然对⻬位置上，则只要⼀次就可以取出数据。⼀些系统对对⻬要求⾮常严格