C++ note (4)

数据抽象和类 Ⅲ

动态内存和类

C/C++ 内存空间分布

• 内存分区

  

1. Text–只读、共享，操作系统管理

   • 是对象文件或内存中程序的一部分，其中包含可执行指令（函数实现，库实现，字符串等资源）。文本段在堆栈的下面，是防止堆栈溢出覆盖它。

   • 通常代码段是共享的，对于经常执行的程序，只有一个副本需要存储在内存中；代码段是只读的，以防止程序以外修改指令。

2. Initialized data

   • 通常称为数据段，是程序的虚拟地址空间的一部分，它包含程序员初始化的全局变量和静态变量以及常量，可以进一步划分为只读区域和读写区域。

3. Unintialized data–内核初始化为0

   • 通常称为 bss 段

4. Heap–程序员管理

   • 堆是动态内存分配通常发生的部分（动态变量（对象））

   • 内存分配由低到高，分配方式类似于数据结构的链表。堆区域从BSS段的末尾开始，并从那里逐渐增加到更大的地址。

   • 堆是由程序员自己分配的，或程序结束后由操作系统自动回收。堆区域由所有共享库和进程中动态加载的模块共享。（malloc和new从堆区分配内存）

5. Stack–编译器分配管理

   • 栈是存放自动变量，以及函数调用时保存的信息的部分（自动变量（对象）、函数参数）

   • 每当进行函数调用时，函数的实参和返回地址以及调用者的上下文环境会被存放在栈中；栈区由编译器自动分配，从高地址向低地址扩展。

   • 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

     char *s1 = "Literal";  // 文字在代码区，仅分配了字符指针
     // s1[0] = 'I';        // Segmentation fault 

     char s2[] = "Initial Literal"; // 分配数组空间

     ptr_type* ptr_name = &((ptr_type){2,3}); // 分配结构空间及指针

堆 栈 的性能区别

• 写入方面：入栈比在堆上分配内存要快，因为入栈时操作系统无需分配新的空间，只需要将新数据放入栈顶即可。相比之下，在堆上分配内存则需要更多的工作，这是因为操作系统必须首先找到一块足够存放数据的内存空间，接着做一些记录为下一次分配做准备。

• 读取方面：得益于 CPU 高速缓存，使得处理器可以减少对内存的访问，高速缓存和内存的访问速度差异在 10 倍以上！栈数据往往可以直接存储在 CPU 高速缓存中，而堆数据只能存储在内存中。访问堆上的数据比访问栈上的数据慢，因为必须先访问栈再通过栈上的指针来访问内存。

因此，处理器处理和分配在栈上数据会比在堆上的数据更加高效。

内存分区的意义

不同区域存放的数据，赋予不同的生命周期，给编程更大的灵活性。

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C 动态变量（对象）管理

正确使用堆空间

• 必须使用 #include <stdlib.h>
• void* malloc(size_t) // 申请空间
• void free(void*) // 释放空间
• 申请的空间必须释放，否则会导致内存泄漏
• free 后再使用或释放指针，行为不可预测。

  typedef struct { int x; int y; } Point;
  int main(void) {
    // 分配变量或一维可变数组
    Point* p1 = malloc(sizeof(Point) * 10);
    // 分配二维数组(n,m是常数)
    point (*p2)[2][3] = malloc(sizeof(Point) * 6);
    // 分配数组的数组
    int n = 2;
    int m = 3;
    Point **p3 = malloc(sizeof(Point *) * n);
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
      p3[i] = malloc(sizeof(Point) * m);
    }
    // do somesthing
    free(p1);
    free(p2);
    // 必须先释放行数组
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
    free(p3[i]);
    }
    free(p3);
    return (0);
  }

new 和 delete 、动态创建变量/数组、内存泄漏、 = default

C++ note (1)