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一 C++內存管理
1.內存分配方式
在講解內存分配之前，首先，要了解程序在內存中都有什麼區域，然後在詳細分析各種分配方式。
1.1 C語言和C++內存分配區
下面的三張圖，圖1圖2是一種比較詳細的C語言的內存區域分法。圖3是典型的C++內存分布圖，簡單易懂；以下內存分配圖，區別就是圖1和2則分為初始化和未初始化靜態變量區，圖3中是全局變量區。
C語言（圖1和圖2）：（由地地址到高地址）
a)正文段：用來存放程序執行代碼。通常，正文段是可共享的。另外，正文段常常是只讀的，一次防止程序由於意外修改其自身。
b)初始化數據段：用來存放程序中已初始化的全局變量。數據段屬於靜態內存分配。
c)非初始化數據段：通常稱為BSS段， 用來存放程序中未初始化的全局變量。BSS是英文Block Started by Symbol（由符號開始的塊）的簡稱。BSS段屬於靜態內存分配。 在程序開始執行之前，內核將此段中的數據初始化為0或者空指針。
d)堆：堆是用於存放進程運行中被動態分配的內存段，它的大小並不固定，可動態擴張或縮減。當進程調用malloc/free等函數分配內存時，新分配的內存就被動態添加到堆上 （堆被擴張）/釋放的內存從堆中被剔除（堆被縮減）。
e)棧：棧又稱堆棧， 存放程序的局部變量（但不包括static聲明的變量，static意味著在數據段中存放變量）。除此以外，在函數被調用時，棧用來傳遞參數和返回值。由於棧 的先進先出特點，所以棧特別方便用來保存/恢復調用現場。
圖1 典型C語言內存分布區域 （UNIX高級環境編程） 圖2 典型C語言內存分布區域
C++（圖3）：
根據《C++內存管理技術內幕》一書，在C++中，內存分成5個區，他們分別是堆，棧，自由存續區，全局/靜態存續區，常量存續區。
a) 棧：內存由編譯器在需要時自動分配和釋放。通常用來存儲局部變量和函數參數。棧運算分配內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
b) 堆：內存使用new進行分配使用delete或delete[]釋放。如果未能對內存進行正確的釋放，會造成內存洩漏。但在程序結束時，會由操作系統自動回收。
c) 自由存儲區：使用malloc進行分配，使用free進行回收。和堆類似。
d) 全局/靜態存儲區：全局變量和靜態變量被分配到同一塊內存中，C語言中區分初始化和未初始化的，C++中不再區分了。
e) 常量存儲區：存儲常量，不允許被修改。
這裡，在一些資料中是這樣定義C++內存分配的，可編程內存在基本上分為這樣的幾大部分：靜態存儲區、堆區和棧區。他們的功能不同，對他們使用方式也就不同。
a)靜態存儲區：內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。它主要存放靜態數據、全局數據和常量。
b)棧區：在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。
c)堆區：亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意大小的內存，程序員自己負責在適當的時候用free或delete釋放內存。動態內存的生存期可以由我們決定，如果我們不釋放內存，程序將在最後才釋放掉動態內存。 但是，良好的編程習慣是：如果某動態內存不再使用，需要將其釋放掉，否則，我們認為發生了內存洩漏現象。
圖3 典型c++內存區域
總結：C++與C語言的內存分配存在一些不同，但是整體上就一致的，不會影響程序分析。就C++而言，不管是5部分還是3大部分，只是分法不一致，將5部分中的c)d)e)合在一起則是3部分的a)。
1.2區分堆、棧、靜態存儲區
我們通過代碼段來看看對這樣的三部分內存需要怎樣的操作和不同，以及應該注意怎樣的地方。
（1）靜態存儲區與棧區
1: char* p = “Hello World1”; 2: char a[] = “Hello World2”; 3: p[2] = ‘A’; 4: a[2] = ‘A’; 5: char* p1 = “Hello World1;”
這個程序是有錯誤的，錯誤發生在p[2] = ‘A’這行代碼處，為什麼呢，是變量p和變量數組a都存在於棧區的（任何臨時變量都是處於棧區的，包括在main（）函數中定義的變量）。但是，數據“Hello World1”和數據“Hello World2”是存儲於不同的區域的。
因為數據“Hello World2”存在於數組中，所以，此數據存儲於棧區，對它修改是沒有任何問題的。因為指針變量p僅僅能夠存儲某個存儲空間的地址，數據“Hello World1”為字符串常量，所以存儲在靜態存儲區。雖然通過p[2]可以訪問到靜態存儲區中的第三個數據單元，即字符‘l’所在的存儲的單元。但是因為數據“Hello World1”為字符串常量，不可以改變，所以在程序運行時，會報告內存錯誤。並且，如果此時對p和p1輸出的時候會發現p和p1裡面保存的地址是完全相同的。換句話說，在數據區只保留一份相同的數據。
（2）堆與棧區別
我們先通過例子1來直觀的說明下棧與堆內存的區別，然後在細致分析例子2中的情況。
例子1：
1: void fn(){ 2: int* p = new int[5]; 3: }
看到new，首先應該想到，我們分配了一塊堆內存，那麼指針p呢? 它分配的是一塊棧內存，所以這句話的意思就是:在棧內存中存放了一個指向一塊堆內存的指針p。程序會先確定在堆中分配內存的大小，然後調用operator new分配內存，然後返回這塊內存的首地址，放入棧中。
注意：這裡為了簡單並沒有釋放內存，那麼該怎麼去釋放呢? 是deletep麼? NO，錯了，應該是delete [ ] p，這是告訴編譯器:刪除的是一個數組。
例子2：
1: int a = 0; //全局初始化區 2: char *p1; //全局未初始化區 3: main() 4: { 5: int b; //棧 6: char s[] = "abc"; //棧 7: char *p2; //棧 8: char *p3 = "123456"; // 123456\0在常量區，p3在棧上。 9: static int c =0； //全局（靜態）初始化區 10: p1 = (char *)malloc(10); 11: p2 = (char *)malloc(20); 12: //分配得來得10和20字節的區域就在堆區。 13: strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。 14: }
例子3：
1: char* f1() 2: { 3: char* p = NULL; 4: char a; 5: p = &a; 6: return p; 7: } 8: char* f2() 9: { 10: char* p = NULL: 11: p =(char*) new char[4]; 12: return p; 13: }
這兩個函數都是將某個存儲空間的地址返回，二者有何區別呢？f1()函數雖然返回的是一個存儲空間，但是此空間為臨時空間。也就是說，此空間只有短暫的生命周期，它的生命周期在函數f1()調用結束時，也就失去了它的生命價值，即：此空間被釋放掉。所以，當調用f1()函數時，如果程序中有下面的語句：
1: char* p ; 2: p = f1(); 3: *p = ‘a’;
此時，編譯並不會報告錯誤，但是在程序運行時，會發生異常錯誤。因為，你對不應該操作的內存（即，已經釋放掉的存儲空間）進行了操作。但是，相比之下，f2()函數不會有任何問題。因為，new這個命令是在堆中申請存儲空間，一旦申請成功，除非你將其delete或者程序終結，這塊內存將一直存在。也可以這樣理解，堆內存是共享單元，能夠被多個函數共同訪問。如果你需要有多個數據返回卻苦無辦法，堆內存將是一個很好的選擇。但是一定要避免下面的事情發生：
1: void f() 2: { 3: … 4: char * p; 5: p = (char*)new char[100]; 6: … 7: }
這個程序做了一件很無意義並且會帶來很大危害的事情。因為，雖然申請了堆內存，p保存了堆內存的首地址。但是，此變量是臨時變量，當函數調用結束時p變量消失。也就是說，再也沒有變量存儲這塊堆內存的首地址，我們將永遠無法再使用那塊堆內存了。但是，這塊堆內存卻一直標識被你所使用（因為沒有到程序結束，你也沒有將其delete，所以這塊堆內存一直被標識擁有者是當前您的程序），進而其他進程或程序無法使用。我們將這種不道德的“流氓行為”（我們不用，卻也不讓別人使用）稱為內存洩漏（memory leak）。
綜合以上兩個例子，我們可以總結一下堆與棧到底有哪些區別！
（1）管理方式不同
對於棧來講，是由編譯器自動管理，無需我們手工控制;對於堆來說，釋放工作由程序員控制，容易產生memory leak。
（2）空間大小不同
空間大小:一般來講在32位系統下，堆內存可以達到4G的空間，從這個角度來看堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講，一般都是有一定的空間大小的，例如，在VC6.0下面默認的棧空間大小是1M,可以修改這個值。
（3）能否產生碎片不同
對於堆來講，頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續，從而造成大量的碎片，使程序效率降低。對於棧來講，則不會存在這個問題，因為棧是先進後出的隊列，他們是如此的一一對應，以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出，在他彈出之前，在他上面的後進的棧內容已經被彈出。
（4）生長方向不同
對於堆來講，生長方向是向上的，也就是向著內存地址增加的方向；對於棧來講，它的生長方向是向下的，是向著內存地址減小的方向增長。（詳見第一部分的內存分配圖）
（5）分配方式不同
堆都是動態分配的，沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式：靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態分配由alloca函數進行分配，但是棧的動態分配和堆是不同的，他的動態分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現。
（6）分配效率不同
棧是機器系統提供的數據結構，計算機會在底層對棧提供支持：分配專門的寄存器存放棧的地址，壓棧出棧都有專門的指令執行，這就決定了棧的效率比較高。堆則是C/C++函數庫提供的，它的機制是很復雜的，例如為了分配一塊內存，庫函數會按照一定的算法（具體的算法可以參考數據結構/操作系統）在堆內存中搜索可用的足夠大小的空間，如果沒有足夠大小的空間（可能是由於內存碎片太多），就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間，這樣就有機會分到足夠大小的內存，然後進行返回。顯然，堆的效率比棧要低得多。
總結：
堆和棧相比，由於大量new/delete的使用，容易造成大量的內存碎片；由於沒有專門的系統支持，效率很低；由於可能引發用戶態和核心態的切換，內存的申請，代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最廣泛的，就算是函數的調用也利用棧去完成，函數調用過程中的參數，返回地址，EBP和局部變量都采用棧的方式存放。所以，推薦大家盡量用棧，而不是用堆。
雖然棧有如此眾多的好處，但是由於和堆相比不是那麼靈活，有時候分配大量的內存空間，還是用堆好一些。
無論是堆還是棧，都要防止越界現象的發生（除非你是故意使其越界），因為越界的結果要麼是程序崩潰，要麼是摧毀程序的堆、棧結構，產生以想不到的結果,就算是在你的程序運行過程中，沒有發生上面的問題，你還是要小心，說不定什麼時候就崩掉，那時候debug可是相當困難。
