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1. C++是如何做内存管理的

（1）堆，使用malloc、free 动态分配和释放空间，能分配较大的内存； （2）栈，为函数的局部变量分配内存，能分配较小的内存； （3）全局/静态存储区，用于存储全局变量和静态变量； （4）常量存储区，专门用来存放常量； （5）自由存储区：通过new 和 delete 分配和释放空间的内存，具体实现可能是堆或者内存池。

2.为什么栈的运行速度更快？

这里说的 “堆” 和 “栈”，并不是 数据结构 上的Heap跟Stack，而是程序运行中的不同内存空间。（例如C++的内存四区：代码区、全局区、堆、栈）

  1. 申请速度快：栈是程序运行前就已经分配好的空间，所以运行时分配几乎不需要时间。而堆是运行时动态申请的，相当于将分配内存的耗时由编译阶段转嫁到了机器运行阶段，将分配过程从编译器搬到了运行的代码中。于是动态分配的速度不仅与分配算法有关，还与机器运行速度有关。（栈是编译时分配空间，而堆是动态分配（运行时分配空间），所以栈的申请速度快）
  2. 存储寻址速度快：栈的物理地址空间是连续的，而堆未必，查找堆的链表也会耗费较多时间，所以存储寻址速度慢。
  3. CPU 硬件操作速度快：cpu 有专门的寄存器（esp，ebp）来操作栈，堆是使用间接寻址的，所以栈快。

2. 栈溢出常见问题

  1. 局部数组过大。当函数内部的数组过大时，有可能导致堆栈溢出。局部变量是存储在栈中的，因此这个很好理解。解决这类问题的办法有两个，一是增大栈空间,二是改用动态分配，使用堆（heap）而不是栈（stack）。
  2. 递归调用层次太多。递归函数在运行时会执行压栈操作，当压栈次数太多时，也会导致堆栈溢出。
  3. 指针或数组越界。这种情况最常见，例如进行字符串拷贝，或处理用户输入等等。

堆和自由存储区的区别与联系

从技术上来说，堆（heap）是 C 语言和操作系统的术语。堆是操作系统所维护的一块特殊内存，它提供了动态分配的功能，当运行程序调用 malloc()时就会从中分配，稍后调用 free 可把内存交还。而自由存储是 C++中通过 new 和 delete 动态分配和释放对象的抽象概念，通过 new 来申请的内存区域可称为自由存储区。基本上，所有的 C++编译器默认使用堆来实现自由存储，也即是缺省的全局运算符 new 和 delete 也许会按照 malloc 和 free 的方式来被实现，这时藉由 new 运算符分配的对象，说它在堆上也对，说它在自由存储区上也正确。 - 堆是 C 语言和操作系统的术语、是操作系统维护的一块内存，而自由存储是 C++中通过 new 与 delete 动态分配和释放对象的抽象概念。堆与自由存储区并不等价。 - new 所申请的内存区域在 C++中称为自由存储区。藉由堆实现的自由存储，可以说 new 所申请的内存区域在堆上。

堆和栈的区别

  • 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：堆基本没啥限制 4G，栈 1M。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，默认的栈空间大小是 1M（VS2017 项目-属性-链接器-系统可以修改）。
  • 碎片问题：对于堆来讲，频繁的 malloc/free 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。栈是先进后出的队列，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出。
  • 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。
  • 总结一下：
    • 堆中的内存需要手动申请和手动释放，栈中内存是由OS 自动申请和自动释放；
    • 堆能分配的内存较大（4G(32 位机器)），栈能分配的内存较小（1M）；
    • 在堆中分配和释放内存会产生内存碎片，栈不会产生内存碎片；
    • 堆的分配效率低，栈的分配效率高；
    • 堆地址从低向上，栈由高向下。

2. new/delete 和 malloc/free

（1）new 分配内存空间无需指定分配内存大小，malloc 需要；

（2）new 返回类型指针，类型安全，malloc 返回 void，再强制转换成所需要的类型*；

（3）new 是从自由存储区获得内存，malloc 从堆中获取内存；

（4）对于类对象，new 会调用构造函数和析构函数，malloc 不会（核心）。

3.内存对齐

  • 原因：关键在于 CPU 存取数据的效率问题。为了提高效率，计算机从内存中取数据是按照一个固定长度的。比如在 32 位机上，CPU 每次都是取 32bit 数据的，也就是 4 字节；若不进行对齐，要取出两块地址中的数据，进行掩码和移位等操作，写入目标寄存器内存，效率很低。内存对齐一方面可以节省内存，一方面可以提升数据读取的速度；

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