C&C++ 内存管理

[JAX1024Dev]

#前言
640K ought to be enough for every body. -- Bill Gates

一、内存分配方式

根据分配内存的方法，C++有 3 种经典管理内存的方法：

1. 自动存储
2. 静态存储
3. 动态存储
4. 线程存储（C++11 新增）

1.1 自动存储

在函数内部定义的常规变量使用自动存储，这些变量被称为 automatic variable。
生存周期：它们所属的函数被调用时自动产生，在该函数结束时消亡。
存储位置：通常存储在栈中。
实际上，其生存周期为整个函数运行期间是片面的。更确切的说法是，自动变量是一个局部变量，其作用域为包含它的代码块。函数是我们最常见的代码块。当执行代码块时，自动变量依次进栈，而在离开代码块时，按相反顺序释放这些变量。
默认情况下，函数参数也是自动变量之一。

1.2 静态存储

静态存储是整个程序执行期间都存在的存储方式。内存在程序编译时分配好。静态变量的数目在程序运行的期间都是不变的，没有特别的装置（如栈）来管理它们。
所有变量静态持续变量的初始化特征：如果没有显示地初始化它们，编译器将它们所有位设为0。默认情况，静态数组和结构每个元素都是0。这被称为零初始化 zero-initialized
生存周期：这块内存在程序的整个运行期间都存在。
C++ 中为静态存储持续性变量提供了 3 种链接性：

• 外部链接性（可在其他文件中访问）
• 内部链接性（只能在当前文件中访问）
• 无链接性（只能在当前函数或代码块中访问）

1.2.1 静态变量初始化

1. zero-initialized
2. 常量表达式初始化
3. 动态初始化

初始化时机：前两种被称为静态初始化，意味着在编译器处理文件时就初始化变量。动态初始化意味着将在编译后初始化。
初始化顺序：

1. 首先所有变量进行零初始化，无论程序员是否显示初始化了它们。
2. 接下来如果使用了常量表达式初始化，且编译器根据文件内容可以计算表达式。
3. 如果没有足够的信息，变量将被动态初始化。

int fun(int);
int a;  
int b = 1 * 2;
static int c = sizeof(int);  // zero-initialized -> 常量初始化
int d = fun(1);  // zero-initialized -> 动态初始化。动态初始化要等到该函数被链接且程序执行时。

int fun(int x)
{
    return x;
}

1.2.2 外部链接性

链接性为外部的变量通常称为外部变量，它们的存储持续性为静态。也被称为全局变量。
规则：

1. 在每个使用外部变量的文件中，都必须声明它。
2. 单定义规则：变量只有一次定义。

为此，C++ 提供了两种变量声明：定义声明和引用声明。前者给变量分配存储空间，后者不分配。
引用声明使用关键字extern且&不进行初始化。二者缺一不可。

// file1.cpp
int dog = 1;  // definition
extern int cat = 2;  // definition 定义也可以使用 extern
extern int monkey;  // declaration

// file2.cpp
extern int dog;  // declaration
extern int cat;  // declaration
int monkey;  // definition

1.2.3 内部链接性

静态外部变量。将 static 限定符用于作用域为整个文件的变量时，该变量的链接性为内部的。链接性为内部的变量只能在其所属的文件中使用。

// file1.cpp
int a = 10;

// file2.cpp
static int a = 10;

以上示例并不违反单定义原则，静态变量将隐藏常规外部变量。

1.2.4 无链接性

将 static 限定符用于在代码块中定义的局部变量。这将导致该局部变量的存储持续性为静态的，这意味着它在包含它的代码块不处于活跃状态时仍然存在。因此，在两次函数调用之间，静态局部变量的值将保持不变。
关于初始化，如果初始了静态局部变量，则程序只在启动时进行一次初始化，以后再调用函数时，将不会像自动变量那样再此被初始化。

int fun(void);
int main()
{
    fun();  // 0
    fun();  // 1
    return 0;
}
int fun(void)
{
    static int x = 0;
    return ++x;
}

1.3 动态存储

程序在运行的时候用 malloc 或 new 申请任意多少的内存，程序猿自己负责在何时用 free 或 delete 释放内存。动态内存的生存期由我们自己决定，使用非常灵活，但问题最多。
存储位置：堆

1.3.1 有了 malloc/free 为什么还要 new/delete？

本质区别：malloc/free 是标准库函数，new/delete 是 C++ 运算符。
对于非内部数据类型的对象而言，只用 malloc/free 是无法满足动态对象的要求。对象在创建时需要执行构造函数，在消亡之前需要执行析构函数。由于 malloc/free 是库函数而不是运算符，不在编译器的控制权限之内就，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于 malloc/free。
为什么不把 malloc/free 淘汰出局呢？C 语言只能用 malloc/free，而 C++ 经常调用 C 程序，如果用 free 释放 new 创建的动态对象，会导致出错。

二、常见的内存错误及其对策

内存错误与三类指针

1. 内存分配未成功，却使用了它。空指针错误。解决方案：在解引用指针之前判断指针是否为空。
2. 内存分配成功，未初始化就引用它。错因：要有初始化观念，对于申请的动态内存不存在零初始化；
3. 内存分配成功，已经初始化，但是操作越界。越界后变为野指针。对于指针，定义后要将其初始化后使用，否则也为野指针。
4. 忘记释放内存，操成内存泄漏问题。
5. 释放了内存，却使用它。悬垂指针错误。解决：对于指向内容释放后的指针要立即置空。长生命周期的指针不能指向短生命周期的对象。

参考文献

1. C++ Primer Plus 6th 中文版：4.8.5、第九章