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C++内存管理

[导语]

内存管理是 C++最令人切齿痛恨的问题，也是 C++最有争议的问题，C++高手从中获得了更好的性能，更大

的自由，C++菜鸟的收获则是一遍一遍的检查代码和对 C++的痛恨，但内存管理在 C++中无处不在，内存泄

漏几乎在每个 C++程序中都会发生，因此要想成为 C++高手，内存管理一关是必须要过的，除非放弃 C++，

转到 Java 或者.NET，他们的内存管理基本是自动的，当然你也放弃了自由和对内存的支配权，还放弃了

C++超绝的性能。本期专题将从内存管理、内存泄漏、内存回收这三个方面来探讨 C++内存管理问题。

1 内存管理

伟大的 Bill Gates 曾经失言：

640K ought to be enough for everybody — Bill Gates 1981

程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地

雷并且排除它们，躲是躲不了的。本文的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地

通晓内存管理。

1.1 C++内存管理详解

1.1.1 内存分配方式

1.1.1.1 分配方式简介

在 C++中，内存分成 5 个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

栈，在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自

动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

堆，就是那些由 new 分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个

new 就要对应一个 delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

自由存储区，就是那些由 malloc 等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用 free 来结束自

己的生命的。

全局/静态存储区，全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的 C 语言中，全局变量又分为

初始化的和未初始化的，在 C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。

常量存储区，这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改。

1.1.1.2 明确区分堆与栈

在 bbs 上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，

所以我决定拿他第一个开刀。

首先，我们举一个例子：

void f() {

int* p=new int[5] ;

}

这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到 new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么

指针 p 呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指

针 p。程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用 operator new 分配内存，然后返回这块内存的首地

址，放入栈中，他在 VC6 下的汇编代码如下：

00401028 push 14h

0040102A call operator new (00401060)

0040102F add esp,4

00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax

00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]

00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax

这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是 delete p 么？澳，错了，应该是 delete

[] p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6 就会根据相应的 Cookie 信息去进行释放内存的工

作。

1.1.1.3 堆和栈究竟有什么区别？

好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？

主要的区别由以下几点：

1、管理方式不同；

2、空间大小不同；

3、能否产生碎片不同；

4、生长方向不同；

5、分配方式不同；

6、分配效率不同；

管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员

控制，容易产生 memory leak。

空间大小：一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到 4G 的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有

什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在 VC6 下面，默认的栈空间大小是

1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：

打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在 Category 中选中 Output，然后在 Reserve

中设定堆栈的最大值和 commit。

注意：reserve 最小值为 4Byte；commit 是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟

较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。

碎片问题：对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使

程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，

以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，

详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。

生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生

长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有 2 种分配方式：静态分配和动态分配。静态

分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由 alloca 函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是

不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈

的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是 C/C++函数库提供的，它的

机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作

系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就

有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。

显然，堆的效率比栈要低得多。

从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量 new/delete 的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没

有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。

所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，

EBP 和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。

虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆

好一些。

无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，

要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生意想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，

你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候 debug 可是相当困难的：）

1.1.2 控制 C++的内存分配

在嵌入式系统中使用 C++的一个常见问题是内存分配，即对 new 和 delete 操作符的失控。

具有讽刺意味的是，问题的根源却是 C++对内存的管理非常的容易而且安全。具体地说，当一个对象

被消除时，它的析构函数能够安全的释放所分配的内存。

这当然是个好事情，但是这种使用的简单性使得程序员们过度使用 new 和 delete，而不注意在嵌入

式 C++环境中的因果关系。并且，在嵌入式系统中，由于内存的限制，频繁的动态分配不定大小的内存会

引起很大的问题以及堆破碎的风险。

作为忠告，保守的使用内存分配是嵌入式环境中的第一原则。

但当你必须要使用 new 和 delete 时，你不得不控制 C++中的内存分配。你需要用一个全局的 new 和

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