【C++】内存管理（上）

一、初识内存管理

内存管理是操作系统（OS）和编程语言运行时核心功能之一，本质是高效、安全地分配、使用、回收计算机内存资源，避免内存泄漏、野指针、内存碎片等问题，确保程序稳定运行且资源利用率最大化。

我们为什么需要内存管理？

一、解决物理限制问题

• 内存稀缺：物理内存有限，但程序需求很大
• 多任务需求：需要同时运行多个程序

二、提供关键功能

• 隔离保护：防止程序互相干扰或攻击
• 地址抽象：让程序以为自己独占整个内存空间
• 内存共享：安全地共享代码库和公共数据

三、提升系统能力

• 扩展内存：虚拟内存让程序能用比物理内存更大的空间
• 效率优化：通过缓存、预取等技术加速访问
• 动态管理：按需分配，避免浪费

一句话总结：内存管理让有限的内存资源能被多个程序安全、高效地共享使用，是现代计算系统能够工作的基础。

二、内存管理的核心维度

2.1、内存划分

我们以进程的角度来进行内存划分：

一、代码段（Text Segment / 常量区） 作用：

• 存储程序的执行代码：机器指令、函数体等
• 包含只读的常量：字符串常量、const修饰的全局变量

特点：

1. 只读性：防止程序意外修改自身代码
2. 可共享：多个进程可以共享同一份代码副本（如多个实例运行同一程序）
3. 大小固定：编译链接后确定，运行时不变
4. 位于内存低地址区域

二、数据段（Data Segment / 静态区）

作用：

• 存储全局变量和静态变量

-  初始化的全局变量（全局区）

-  未初始化的全局变量（BSS段）

-  静态局部变量和静态全局变量

特点：

1. 生命周期最长：从程序启动到结束一直存在
2. 自动初始化：

-  显式初始化的变量：初始值在编译时确定

-  未显式初始化的变量：系统自动初始化为0（或NULL）

1. 位于代码段之上
2. 大小在编译时确定

三、堆（Heap）

作用：

• 动态内存分配区域
• 存储malloc、new、calloc、realloc等分配的内存

特点：

1. 动态性：大小在运行时动态变化
2. 手动管理：

-  程序员负责申请和释放内存

-  可能产生内存泄漏（未释放）或悬空指针

1. 向上增长：向高地址方向扩展
2. 碎片化风险：频繁分配释放可能导致内存碎片
3. 分配速度相对较慢：需要寻找合适大小的空闲块

四、栈（Stack）

作用：

• 存储函数调用上下文和局部变量

-  函数参数

-  返回地址

-  局部变量

-  函数调用的寄存器保存区

特点：

1. 自动管理：编译器自动分配和释放
2. 后进先出（LIFO）：函数调用和返回符合栈的特性
3. 向下增长：向低地址方向扩展
4. 速度快：只需移动栈指针即可分配内存
5. 大小有限：通常较小（Linux默认8MB），可能发生栈溢出
6. 生命周期短：随函数调用开始，随函数返回结束

对比表格

2.2、实际内存布局示例（Linux x86-64）

text

高地址
┌─────────────────┐
│   内核空间      │
├─────────────────┤
│   栈 (向下增长)  │ ← 栈指针(SP)
│    ...          │
├─────────────────┤
│    ...          │
├─────────────────┤
│   堆 (向上增长)  │ ← 堆指针(brk)
│    ...          │
├─────────────────┤
│   未初始化数据段(BSS)│
├─────────────────┤
│   已初始化数据段    │
├─────────────────┤
│   代码段         │
└─────────────────┘
低地址

编程注意事项

1. 栈溢出：避免大局部变量或深度递归
2. 堆管理：确保配对使用malloc/free、new/delete
3. 数据段：过度使用全局变量会增加内存占用
4. 代码段：常量字符串在此区域，不可修改

三、C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	const char* pChar3 = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

选择题： 选项：A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区) globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____ staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____ num1 在哪里？____ 答案：C、C、C、A、A 解析：

我们根据表格可以看出，也可以看下面这个表格：

分区作用特点栈（Stack）存储局部变量、函数调用上下文自动分配 / 释放（栈帧）、连续内存、大小固定（几 MB）堆（Heap）动态分配内存（如 new/malloc）手动 / 自动回收、非连续、大小灵活（可达 GB 级）全局 / 静态区存储全局变量、静态变量程序启动分配、退出释放常量区存储字符串常量、const 变量只读、程序退出释放代码区存储程序指令（二进制）只读、可共享

char2在哪里？____

*char2在哪里？___

pChar3在哪里？____

*pChar3在哪里？____

ptr1在哪里？____

*ptr1在哪里？____

答案：A、A、A、D、A、B

解析：

我们首先来看char2，他是一个数组，我们知道数组名代表整个数组那他就是在栈上；pchar3大家可能都觉得他有个const修饰那他应该在常量区，这个const修饰的是指向内容，并不修饰本身，所以他也在栈上；数组名代表整个数组，这里char2解引用就代表首元素的地址解引用（实际就是a），这个数组在栈上，所以解引用也是在栈上；pChar3也在栈上，解引用找他的指向内容，他指向这个常量字符串，这个常量字符串在常量区，所以*pChar也在常量区；我们来总结一下其实就是在常量区有个"abcd\0"，我们在栈上定义一个数组char2，我们将常量区的"abcd\0"拷贝一份给他，在栈上再定义一个局部的指针变量，这个局部的指针变量指向这个字符串首元素的地址，当我们解引用就是常量区的"abcd\0"的a，给出图解如下：

常量区的数据不可以修改！

我们在栈上定义了一指针变量ptr1，然后malloc一块空间，指针指向那快空间，然后那块空间在堆区上，所以解引用*ptr1就在堆区上；

• ptr1是Test()函数内的局部指针变量，局部变量会存储在栈区（函数调用时分配栈帧，函数结束后自动释放）。
• ptr1是通过malloc动态分配内存得到的指针，malloc会从堆区申请内存空间；*ptr1是ptr1指向的内存空间，因此存储在堆区（需手动调用free释放）。

【说明】

1. 栈又叫堆栈 -- 非静态局部变量 / 函数参数 / 返回值等等，栈是向下增长的。
2. 内存映射段是高效的 I/O 映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。（Linux 课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段 -- 存储全局数据和静态数据。
5. 代码段 -- 可执行的代码 / 只读常量。

四、C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free

4.1、malloc / calloc / realloc的区别

大家要是想详细了解可以移步我以前写过的一篇博客：【C语言】C 动态内存管理全解析：malloc/calloc/realloc 与柔性数组实战-CSDN博客

https://blog.csdn.net/2501_91731683/article/details/150438447这里我们简单为大家讲解一下大致的区别：

malloc是动态内存开辟但是不会初始化；calloc是动态内存开辟并且初始化为0；realloc是在原有的动态内存空间上去扩容（如果原有空间后没有足够连续内存，会重新分配一块更大的内存，把原数据拷贝过去，再释放原内存）

void Test()
{
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
    cout << p2 << endl;
    cout << p3 << endl;

	// 这里需要free(p2)吗？
	free(p3);
}

这里的p2不需要free，这里的realloc可能原地扩容也可能异地扩容，原地扩容他们俩地址是一样的，释放一次就可以了，要是异地扩容也不需要我们去释放p2，因为realloc申请一块新的空间然后进行拷贝原空间，结束后会释放原空间，再把新空间返回给p3。

4.2、malloc的实现原理（了解）

这部分现阶段我们并不做重点去了解，大家要是感兴趣可以自行去学习了解，等我们学的多了再回头来看这些，这里有个b站的视频链接，大家感兴趣可以去学习：

gilbc中malloc实现原理