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12. 内存管理

article 2024/11/1 21:37:50

一、内存的组织方式

程序员编写完程序之后，程序要先加载在计算机的内存中，再运行程序。在 C++ 中，不同数据在内存中所存储的位置也不一样。全局变量存储在内存中的静态存储区，非静态的局部变量存储在内存中的动态存储区（栈）。临时使用的数据建立动态内存分配区域，需要的时候开辟，不需要时及时释放（堆）。

通过内存注释方式可以看出，堆用来存放动态分配内存空间，而栈用来存放局部数据变量、函数的参数以及调用函数与被调函数的联系。

在内存的全局存储空间中，用于程序动态分配和释放的内存块称为自由存储空间，通常也称之为堆。在 C 程序中，使用 malloc() 函数和 free() 函数来从堆中动态的分配内存和释放内存。在 C++ 中仍然可以这么做，但 C++ 推荐使用 new 和 delete 关键字动态管理内存。

程序不会像处理堆那样在栈中显示地分配内存。当程序调用函数或声明局部变量时，系统将自动分配内存。

栈是一个后进先出的压入弹出式的数据结构。在程序运行时，需要每次向栈中压入一个对象，然后栈指针向下移动一个位置。当系统从栈中弹出一个对象时，最晚进栈的对象将被弹出，然后栈指针向上移动一个位置。如果栈指针位于栈顶，则表示栈是空的；如果栈指针指向最下面的数据项的后一个位置，则表示栈为满的。

二、动态内存管理

new 关键字根据类型来确定需要多少个字节的内存。然后，它找到这样的内存，并返回其地址。为一个数据对象（可以是结构，也可以是基本数据类型）获取并指定分配内存的通用格式如下：

类型名 * 指针变量名 = new 类型名;

需要在两个地方指定数据类型：用来指定需要什么样的内存和用来声明合适的指针。

new 分配的内存块通常与常规变量声明分配的内存块不同，常规变量的值都存储在栈（stack）的内存区域中，而 new 从堆中分配内存。

当需要内存时，可以使用 new 申请内存，使用完内存后，需要使用 delete 释放内存，将其归还给内存池。使用 delete 时，后面要加上指向内存块的指针。

我们还可以为一个指针重新指向另一个新分配的内存块。我们一定要配对的使用 new 和 delete，否则会发生内存泄露问题，也就是说，被分配的内存再也无法使用了。如果内存泄露严重，则程序将由于不断寻找更多的内存导致内存耗尽而终止。还有不要充实释放已经释放的内存块。C++ 标准指出，这样做的后果是不确定的。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(void)
{
    int a = 10;
    int *p1 = new int;
    *p1 = a;
    int *p2 = new int(a*10);

    cout << "*p1: " << *p1 << endl;
    cout << "*p2: " << *p2 << endl;

    delete p1;
    delete p2;

    return 0;
}

只能使用 delete 释放使用 new 分配的内存。然后，对于空指针使用 delete 是安全的。

三、使用new创建动态数组

在编译时给数组分配内存被称为 静态联编，意味着数组是在编译时加入到程序的。但使用 new 时，如果在运行阶段需要数组，则创建它，如果不需要，则不创建。还可以在程序运行时选择数组的长度。这称为 动态联编，意味着数组是在程序运行时创建的。这种数组叫作动态数组。使用静态联编时，必须在编写程序时指定数组的长度。使用动态联编时，程序将在运行时确定数组的长度。

在 C++ 中，创建动态数组只需要将数组的元素类型和元素数目告诉 new 即可。必须在类型名后加上方括号，其中包含元素的数目。new 运算符将返回第一个元素的地址。

类型名 数组名 = new 类型名[数组大小];

当程序使用完 new 分配的数组后，应该使用 delete 释放内存。

delete [] 数组名;

其中，方括号告诉程序，应释放整个数组，而不仅仅是指针指向的元素。如果使用 new 时，不带方括号，则使用 delete 时，也应该不带方括号。如果使用 new 时带方括号，则使用 delete 时也应带方括号。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(void)
{
    int length = 0;

    cout << "请输入要创建的整型数组的元素个数： " << endl;
    cin >> length;

    int * array = new int[length];
  
    cout << "请填充整型数组元素，中间用空格分隔" << endl;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        cin >> array[i];
    }

    cout << "填充后的数组为：" << endl;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        cout << array[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    delete[] array;

    return 0;
}

四、使用new创建动态结构

通过使用 new，可以创建动态结构。同样，动态意味着内存是在运行时，而不是编译时分配的。创建动态结构时，不能将成员运算符句点用于结构名，因为这种结构没有名称，只知道它的地址。C++ 为这种情况提供了一个运算符：箭头运算符（->）。该运算符由连字符和大于号组成，可用于指向结构指针。

#include <iostream>

using namespace std;

struct Person
{
    string name;
    int age;
};

int main(void)
{
    Person * person = new Person;

    cout << "请输入姓名：" << endl;
    cin >> person->name;

    cout << "请输入年龄：" << endl;
    cin >> person->age;

    cout << "{name: " << person->name << ", age: " << person->age << "}";

    delete person;

    return 0;
}