深入理解C++内存管理

引言

C++的高抽象层次，又兼具高性能，是其他语言所无法替代的，C++标准保持稳定发展，更加现代化，更加强大。但在各种活跃编程语言中，C++门槛依然很高，尤其C++的内存问题（内存泄露，内存溢出，内存宕机，堆栈破坏等问题），需要理解C++标准对象模型，C++标准库，标准C库，操作系统等内存设计，才能更加深入理解C++内存管理。

一、C++的内存布局

如图，描述了C++程序的内存分布。

Code Segment（代码区）：也称Text Segment，存放可执行程序的机器码。

Data Segment (数据区）：存放已初始化的全局和静态变量， 常量数据（如字符串常量）。

**BSS（Block started by symbol)**：存放未初始化的全局和静态变量。（默认设为0）

Heap（堆）：从低地址向高地址增长。容量大于栈，程序中动态分配的内存在此区域。

Stack（栈）：从高地址向低地址增长。由编译器自动管理分配。程序中的局部变量、函数参数值、返回变量等存在此区域。

1.1 函数栈

如上图所示，可执行程序的文件包含BSS，Data Segment和Code Segment，当可执行程序载入内存后，系统会保留一些空间，即堆区和栈区。堆区主要是动态分配的内存（默认情况下），而栈区主要是函数以及局部变量等（包括main函数）。一般而言，栈的空间远远堆的空间。

当调用函数时，一块连续内存(堆栈帧）压入栈；函数返回时，堆栈帧弹出。

堆栈帧包含如下数据:

① 函数返回地址

② 局部变量/CPU寄存器数据备份

1.2 全局变量

当全局/静态变量（如下代码中的x和y变量）未初始化的时候，它们记录在BSS段。

int x;
int z = 5;
void func()
{
     static int y;
}
int main()
{
    return 0;
}

处于BSS段的变量的值默认为0，考虑到这一点，BSS段内部无需存储大量的零值，而只需记录字节个数即可。

系统载入可执行程序后，将BSS段的数据载入数据段(Data Segment） ，并将内存初始化为0，再调用程序入口（main函数）。而对于已经初始化了的全局/静态变量而言，如以上代码中的z变量，则一直存储于数据段(Data Segment)。

1.2 内存对齐

对于基础类型，如float, double, int, char等，它们的大小和内存占用是一致的。而对于结构体而言，如果我们取得其sizeof的结果，会发现这个值有可能会大于结构体内所有成员大小的总和，这是由于结构体内部成员进行了内存对齐

1.2.1 为什么要内存对齐

① 内存对齐使数据读取更高效

在硬件设计上，数据读取的处理器只能从地址为k的倍数的内存处开始读取数据。这种读取方式相当于将内存分为了多个"块“，假设内存可以从任意位置开始存放的话，数据很可能会被分散到多个“块”中，处理分散在多个块中的数据需要移除首尾不需要的字节，再进行合并，非常耗时。

为了提高数据读取的效率，程序分配的内存并不是连续存储的，而是按首地址为k的倍数的方式存储；这样就可以一次性读取数据，而不需要额外的操作。

② 在某些平台下，不进行内存对齐会崩溃

1.2.2如何不使用内存对齐

当然有一些地方为了减少内存的开销就会可以避免内存对齐，比如SDS使用专门的编译优化来节省内存空间 ：

struct __attribute__ ((__packed__)) sdshdr8

attribute ((packed))的作用就是告诉编译器，在编译 sdshdr8 结构时，不要使用字节对齐的方式，而是采用紧凑的方式分配内存。这是因为在默认情况下，编译器会按照 8 字节对齐的方式，给变量分配内存。也就是说，即使一个变量的大小不到 8 个字节，编译器也会给它分配 8 个字节。

为了节省内存，Redis 在这方面的设计上可以说是精打细算的。所以，Redis 采用了attribute ((packed))属性定义结构体，这样一来，结构体实际占用多少内存空间，编译器就分配多少空间。

比如，我用attribute ((packed))属性定义结构体 s2，同样包含 char 和 int 两个类型的成员变量，代码如下所示：

  #include <stdio.h>
  int main() {
     struct __attribute__((packed)) s2{
        char a;
        int b;
     } ts2;
     printf("%lu\n", sizeof(ts2));
     return 0;
  }

当你运行这段代码时，你可以看到，打印的结果是 5，表示编译器用了紧凑型内存分配，s2 结构体只占用 5 个字节的空间。

总而言之，如果你在开发程序时，希望能节省数据结构的内存开销，就可以把attribute ((packed))这个编程方法用起来。

1.2.3 内存对齐的规则

定义有效对齐值（alignment）为结构体中 最宽成员 和 编译器/用户指定对齐值 中较小的那个。

(1) 结构体起始地址为有效对齐值的整数倍

(2) 结构体总大小为有效对齐值的整数倍

(3) 结构体第一个成员偏移值为0，之后成员的偏移值为 min(有效对齐值, 自身大小) 的整数倍

相当于每个成员要进行对齐，并且整个结构体也需要进行对齐。

struct A
{
    int i;
    char c1;
    char c2;
};

int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl; // 有效对齐值为4, output : 8
    return 0;
}

1.3 内存碎片

程序的内存往往不是紧凑连续排布的，而是存在着许多碎片。我们根据碎片产生的原因把碎片分为内部碎片和外部碎片两种类型：

(1) 内部碎片：系统分配的内存大于实际所需的内存（由于对齐机制）；

(2) 外部碎片：不断分配回收不同大小的内存，由于内存分布散乱，较大内存无法分配；

1.4 继承类布局

继承

如果一个类继承自另一个类，那么它自身的数据位于父类之后。

含虚函数的类

如果当前类包含虚函数，则会在类的最前端占用4个字节，用于存储虚表指针（vpointer)，它指向一个虚函数表（vtable)。vtable中包含当前类的所有虚函数指针。

二、C++内存泄漏

2.1 什么是内存

一般我们常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的，大小任意的（内存块的大小可以在程序运行期决定），使用完后必须显示释放的内存。应用程序一般使用malloc，realloc，new等函数从堆中分配到一块内存，使用完后，程序必须负责相应的调用free或delete释放该内存块，否则，这块内存就不能被再次使用，我们就说这块内存泄漏了。以下这段小程序演示了堆内存发生泄漏的情形：

void MyFunction(int nSize)

{

　char* p= new char[nSize];

　if( !GetStringFrom( p, nSize ) ){

　　MessageBox(“Error”);

　　return;

　}

　…//using the string pointed by p;

　delete p;

}

当函数GetStringFrom()返回零的时候，指针p指向的内存就不会被释放。这是一种常见的发生内存泄漏的情形。程序在入口处分配内存，在出口处释放内存，但是c函数可以在任何地方退出，所以一旦有某个出口处没有释放应该释放的内存，就会发生内存泄漏。

广义的说，内存泄漏不仅仅包含堆内存的泄漏，还包含系统资源的泄漏(resource leak)，比如核心态HANDLE，GDI Object，SOCKET， Interface等，从根本上说这些由操作系统分配的对象也消耗内存，如果这些对象发生泄漏最终也会导致内存的泄漏。而且，某些对象消耗的是核心态内存，这些对象严重泄漏时会导致整个操作系统不稳定。

2.2 内存泄漏的发生方式

以发生的方式来分类，内存泄漏可以分为4类：

　　1. 常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。比如例二，如果Something()函数一直返回True，那么pOldBmp指向的HBITMAP对象总是发生泄漏。

　　2. 偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。比如例二，如果Something()函数只有在特定环境下才返回True，那么pOldBmp指向的HBITMAP对象并不总是发生泄漏。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。

   3. 一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块仅且一块内存发生泄漏。比如，在类的构造函数中分配内存，在析构函数中却没有释放该内存，但是因为这个类是一个Singleton，所以内存泄漏只会发生一次。另一个例子：

char* g_lpszFileName = NULL;

void SetFileName( const char* lpcszFileName )
{

　if( g_lpszFileName ){
　　free( g_lpszFileName );
　}

　g_lpszFileName = strdup( lpcszFileName );
}

如果程序在结束的时候没有释放g_lpszFileName指向的字符串，那么，即使多次调用SetFileName()，总会有一块内存，而且仅有一块内存发生泄漏。

1. 隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。举一个例子：

class Connection

{

　public:

　　Connection( SOCKET s);
　　~Connection();
　　…

　private:

　　SOCKET _socket;
　　…

};

class ConnectionManager

{

　public:

　　ConnectionManager(){}

　　~ConnectionManager(){

　　　list::iterator it;
　　　for( it = _connlist.begin(); it != _connlist.end(); ++it ){
　　　　delete （*it）;
　　　}
　　　_connlist.clear();

　　}

　　void OnClientConnected( SOCKET s ){
　　　Connection* p = new Connection(s);
　　　_connlist.push_back(p);
　　}

　　void OnClientDisconnected( Connection* pconn ){
　　　_connlist.remove( pconn );
　　　delete pconn;
　　}

　private:

　　list _connlist;

};

假设在Client从Server端断开后，Server并没有呼叫OnClientDisconnected()函数，那么代表那次连接的Connection对象就不会被及时的删除（在Server程序退出的时候，所有Connection对象会在ConnectionManager的析构函数里被删除）。当不断的有连接建立、断开时隐式内存泄漏就发生了。

从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害，作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积，而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到。

2.3 检测内存泄漏

检测内存泄漏的关键是要能截获住对分配内存和释放内存的函数的调用。截获住这两个函数，我们就能跟踪每一块内存的生命周期，比如，每当成功的分配一块内存后，就把它的指针加入一个全局的list中；每当释放一块内存，再把它的指针从list中删除。这样，当程序结束的时候，list中剩余的指针就是指向那些没有被释放的内存。

如果要检测堆内存的泄漏，那么需要截获住malloc/realloc/free和new/delete就可以了（其实new/delete最终也是用malloc/free的，所以只要截获前面一组即可）。对于其他的泄漏，可以采用类似的方法，截获住相应的分配和释放函数。