堆與棧

• 堆是大家共有的空間，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有沒(méi)有分配的空間，局部堆就是用戶分配的空間。堆在操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程初始化的時(shí)候分配，運(yùn)行過(guò)程中也可以向系統(tǒng)要額外的堆，但是記得用完了要還給操作系統(tǒng)，要不然就是內(nèi)存泄漏。
• 棧是線程獨(dú)有的，保存其運(yùn)行狀態(tài)和局部自動(dòng)變量的。棧在線程開(kāi)始的時(shí)候初始化，每個(gè)線程的?；ハ嗒?dú)立。每個(gè)函數(shù)都有自己的棧，棧被用來(lái)在函數(shù)之間傳遞參數(shù)。操作系統(tǒng)在切換線程的時(shí)候會(huì)自動(dòng)的切換棧，就是切換SS/ESP寄存器。?？臻g不需要在高級(jí)語(yǔ)言里面顯式的分配和釋放。

分配內(nèi)存時(shí)堆與棧的區(qū)別

• 棧是由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值、局部變量的值等。操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧

• 堆一般由程序員分配釋放，若不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收。注意這里說(shuō)是可能，并非一定。再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，記得要釋放?。?！

• 棧區(qū)(stack) :
  編譯器自動(dòng)分配釋放，主要存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量值等。windows下，棧內(nèi)存分配是一個(gè)常數(shù)，超出了限制，提示stack overflow錯(cuò)誤

• 堆區(qū)(heap)：程序員手動(dòng)分配釋放，操作系統(tǒng)80%內(nèi)存

• 全局區(qū)或靜態(tài)區(qū)：存放全局變量和靜態(tài)變量；程序結(jié)束時(shí)由系統(tǒng)釋放，分為全局初始化區(qū)和全局未初始化區(qū)

• 字符常量區(qū)：常量字符串放與此，程序結(jié)束時(shí)由系統(tǒng)釋放

• 程序代碼區(qū)：存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼

示例如下：

int a = 0;          // 全局初始化區(qū)
char *p1;           // 全局未初始化區(qū)
int main(int argc, char** argv) {
    int b;                  // 棧
    char s[] = "abc";       // 棧
    char *p2;               // 棧
    char *p3 = "3210";      // 其中，"3210\0"常量區(qū)，p3在棧區(qū)
    static int c = 0;       // 全局區(qū)
    p1 = (char*)malloc(20);         // 20個(gè)字節(jié)區(qū)域在堆區(qū)
    strcpy(p1, "3210");             // "3210\0" 在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)優(yōu)化為和p3的指向同一塊區(qū)域
    return 0;
}

C語(yǔ)言中內(nèi)存分配與釋放

動(dòng)態(tài)與靜態(tài)分配內(nèi)存

• 靜態(tài)內(nèi)存分配，分配內(nèi)存大小的是固定，問(wèn)題：1.很容易超出棧內(nèi)存的最大值 2.為了防止內(nèi)存不夠用會(huì)開(kāi)辟更多的內(nèi)存，容易浪費(fèi)內(nèi)存

• 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，在程序運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)指定需要使用的內(nèi)存大小，手動(dòng)釋放，釋放之后這些內(nèi)存還可以被重新使用

malloc和free函數(shù)

1. malloc僅僅分配內(nèi)存，free僅僅回收內(nèi)存，并不執(zhí)行構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)
2. malloc、free是函數(shù)，可以覆蓋，C、C++中都可以使用
3. malloc申請(qǐng)的內(nèi)存只能使用free釋放
4. malloc和free是實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，并不是C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)

malloc、calloc、realloc的使用

• malloc() 函數(shù)
  用來(lái)動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存空間，原型為：void* malloc (size_t size);分配成功返回指向該內(nèi)存的地址，失敗則返回 NULL。

• calloc() 函數(shù)
  用來(lái)動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存空間并初始化為0，就是NULL。原型為：void* calloc (size_t num, size_t size);。calloc() 在內(nèi)存中動(dòng)態(tài)地分配 num 個(gè)長(zhǎng)度為 size 的連續(xù)空間，并將每一個(gè)字節(jié)都初始化為 0。所以它的結(jié)果是分配了 num * size 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的內(nèi)存空間，并且每個(gè)字節(jié)的值都是0。分配成功返回指向該內(nèi)存的地址，失敗則返回 NULL。

• realloc() 函數(shù)
  重新分配內(nèi)存，原型為：realloc(void *__ptr, size_t __size);，更改已經(jīng)配置的內(nèi)存空間，即更改由malloc()函數(shù)分配的內(nèi)存空間的大小。如果將分配的內(nèi)存減少，realloc僅僅是改變索引的信息。如果是將分配的內(nèi)存擴(kuò)大，則有以下情況：
  1）如果當(dāng)前內(nèi)存段后面有需要的足夠大內(nèi)存空間，則直接擴(kuò)展這段內(nèi)存空間，realloc()將返回原指針。
  2）如果當(dāng)前內(nèi)存段后面的空閑字節(jié)不夠，那么就使用堆中的第一個(gè)能夠滿足這一要求的內(nèi)存塊，將目前的數(shù)據(jù)復(fù)制到新的位置，并將原來(lái)的數(shù)據(jù)塊釋放掉，返回新的內(nèi)存塊位置。
  3）如果申請(qǐng)失敗，將返回NULL，此時(shí)，原來(lái)的指針仍然有效。

注意：如果調(diào)用成功，不管當(dāng)前內(nèi)存段后面的空閑空間是否滿足要求，都會(huì)釋放掉原來(lái)的指針，重新返回一個(gè)指針，雖然返回的指針有可能和原來(lái)的指針一樣，即不能再次釋放掉原來(lái)的指針。

• reallocf(), valloc()函數(shù)
  在mac系統(tǒng)中，還有這兩個(gè)函數(shù)，不常用。原型為：

void* reallocf(void *ptr, size_t size);
void* valloc(size_t size);

1. The valloc() function allocates size bytes of memory and returns a pointer to the allocated memory. The allocated memory is aligned on a page boundary.

2. The reallocf() function is identical to the realloc() function, except that it will free the passed pointer when the requested memory cannot be allocated.
   This is a FreeBSD specific API designed to ease the problems with traditional coding styles for realloc causing memory leaks in libraries.

例子分析

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
    int a = 5;
    long b = 10;

    int * int_array = (int*)malloc(sizeof(int) * 8);
    printf("%ld\n", int_array);
    int_array[1] = 8;
    free(int_array);

    int * ints = (int*)malloc(sizeof(int) * 8);
    printf("%ld\n", ints);

    int * is = (int*)realloc(ints, sizeof(int) * 4);
    printf("%ld\n", is);

    int * iis = (int*)realloc(is, sizeof(int) * 16);
    printf("%ld\n", iis);

    //free(ints);
    //free(is);
    free(iis);

    return 0;
}

由圖可知，前三次的內(nèi)存地址輸出是一致的，第四次輸出了不一樣的內(nèi)存地址。當(dāng)然第二次的內(nèi)存地址跟第一次輸出的內(nèi)存地址一樣是因?yàn)榫幾g優(yōu)化的一些原因，大家可以嘗試不同gcc版本，使用不同的-O級(jí)別。第三次輸出一致的內(nèi)存地址，是因?yàn)樾路峙涞膬?nèi)存小于原來(lái)分配的內(nèi)存長(zhǎng)度，于是內(nèi)存地址還是一樣的，但是原來(lái)的指針已經(jīng)被釋放掉了。第四次則是內(nèi)存不足，所以重新分配到了一個(gè)新的內(nèi)存地址，原來(lái)的指針也沒(méi)釋放掉。讀者可以把注釋的free代碼放開(kāi)，自己編譯看一下結(jié)果。

C++的new與delete

C++中是通過(guò)new和delete操作符進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。雖然是C++中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，但是與C語(yǔ)言中的四個(gè)函數(shù)不同，new和delete是C++中的操作符。標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)定義好，由編譯器來(lái)實(shí)現(xiàn)分配和釋放內(nèi)存，不是函數(shù)庫(kù)里面的實(shí)現(xiàn)，但是底層實(shí)現(xiàn)中也會(huì)調(diào)用基礎(chǔ)的malloc和free函數(shù)。

new/delete和malloc/free的區(qū)別和聯(lián)系：

1. 它們都是動(dòng)態(tài)管理內(nèi)存的入口
2. malloc/free是C/C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的函數(shù)，new/delete是C++操作符
3. malloc/free只是動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存空間/釋放空間。而new/delete除了分配空間還會(huì)調(diào)用構(gòu)造析構(gòu)函數(shù)進(jìn)行初始化與清理（清理成員）
4. malloc/free需要手動(dòng)計(jì)算類型大小且返回值為void*，new/delete可自己計(jì)算類型的大小對(duì)應(yīng)類型的指針
5. new/delete的底層調(diào)用了malloc/free
6. malloc/free申請(qǐng)空間后得判空，new/delete則不需要，之前是返回空指針，現(xiàn)在引發(fā)異常std:bad_alloc.
7. new直接跟類型，malloc傳入節(jié)數(shù)個(gè)數(shù)

例子分析

1.C+11之前，可以初始化簡(jiǎn)單變量：

int *p = new int(12);
delete p;
double *dp = new double(4.5);
delete[] dp;

2.C++11之后，可使用列表初始化：

struct point{double x,int y,doble z};
point *p = new point{1,2,3};
delete p;
int *array = new int []{1,2,3,4};
delete[] array;

3.使用new 和delete時(shí)，分別調(diào)用的是如下函數(shù)：

void * operator new(std::size_t);
void * operator new[](std::size_t);
void * operator delete(std::size_t);
void * operator delete[](std::size_t);

例如1中的示例：

int *p = new int;

int *p = new (sizeof(int));

第三方不同的malloc/free實(shí)現(xiàn)

C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)除了gcc libc之外，還有許多其他的實(shí)現(xiàn)。這里專門介紹一下malloc的其他實(shí)現(xiàn)。主要是ptmalloc,tcmalloc,jemalloc。這三種方式的實(shí)現(xiàn)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)：

1.作為基礎(chǔ)庫(kù)的ptmalloc是最為穩(wěn)定的內(nèi)存管理器，無(wú)論在什么環(huán)境下都能適應(yīng)，但是分配效率相對(duì)較低
2.而tcmalloc針對(duì)多核情況有所優(yōu)化，性能有所提高，但是內(nèi)存占用稍高，大內(nèi)存分配容易出現(xiàn)CPU飆升
3.jemalloc的內(nèi)存占用更高，但是在多核多線程下的表現(xiàn)也最為優(yōu)異

具體需要使用哪一個(gè)庫(kù)，需要按照自己的業(yè)務(wù)需求來(lái)，脫離業(yè)務(wù)需求談技術(shù)的都是耍流氓。