一、内存管理
（一）内存分配方式
在C++中内存被分为5个区，分别是：栈区、堆区、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。
1、栈区
在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可一在栈上创建，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与处理器指令集中，效率很高，当分配的内存容量有限。
2、堆区
就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不管，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。
3、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。
4、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。
5、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。
（二）栈与堆的区别
首先看一个例子：
1 void func()
2 {
3 int* p = new int[5];
4 delet[] p;
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。delete[] p。删除数组，释放内存。
栈和堆的主要有以下几点：
（1）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（内存泄露）。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6）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，产生以想不到的结果，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。
（三）内存管理中常见的问题
发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误，通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状，时隐时现，增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来，程序却没有发生任何问题，你一走，错误又发作了。 常见的内存错误及其对策如下：
1、内存分配未成功，却使用了它
编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数，那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行
检查。如果是用malloc或new来申请内存，应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。
2、内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它
犯这种错误主要有两个起因：一是没有初始化的观念；二是误以为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误（例如数组）。 内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准，尽管有些时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
3、内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界
例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中，循环次数很容易搞错，导致数组操作越界。
4、忘记了释放内存，造成内存泄露。
含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足，你看不到错误。终有一次程序突然死掉，系统出现提示：内存耗尽。
动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。
5、释放了内存却继续使用它
内存管理的三个建议：
（1）程序中的对象调用关系过于复杂，实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存，此时应该重新设计数据结构，从根本上解决对象管理的混乱局面。
（2）函数的return语句写错了，注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”，因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
（3）使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。
【规则1】用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
【规则3】避免数组或指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
【规则5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。
（四）指针和数组的对比
C++/C程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的。
数组要么在静态存储区被创建（如全局数组），要么在栈上被创建。数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命期内保持不变，只有数组的内容可以改变。
指针可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。
下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
1、修改内容
下面示例中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello。a的内容可以改变，如a[0]= ‘X’。指针p指向常量字符串“world”（位于静态存储区，内容为world），常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看，编译器并不觉得语句p[0]= ‘X’有什么不妥，但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。
1 char a[] = “hello”;
2 a[0] = ‘X’;
3 cout << a << endl;
4 char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串
5 p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误
6 cout << p << endl;
2、内容复制与比较
不能对数组名进行直接复制与比较。若想把数组a的内容复制给数组b，不能用语句 b = a ，否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理，比较b和a的内容是否相同，不能用if(b==a) 来判断，应该用标准库函数strcmp进行比较。
语句p = a 并不能把a的内容复制指针p，而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容，可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)+1个字符的内存，再用strcpy进行字符串复制。同理，语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址，应该用库函数strcmp来比较。
1 // 数组…
2 char a[] = "hello";
3 char b[10];
4 strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
5 if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
6 …
7
8 // 指针…
9 int len = strlen(a);
10 char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
11 strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
12 if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)
3、计算内存容量
用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）。如下示例中，sizeof(a)的值是12（注意别忘了’’）。指针p指向a，但是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数，相当于sizeof(char*)，而不是p所指的内存容量。C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量，除非在申请内存时记住它。
1 char a[] = "hello world";
2 char *p = a;
3 cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节
4 cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节
注意当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针。如下示例中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
1 void Func(char a[100])
2 {
3 cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是400字节
4 }
（五） 杜绝“野指针”
“野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。 “野指针”的成因主要有两种：
1、指针变量没有被初始化
任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。例如
1 char *p = NULL;
2 char *str = (char *) malloc(100);
2、指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。
3、指针操作超越了变量的作用域范围。这种情况让人防不胜防，示例程序如下：
1 class A
2 {
3 public:
4 void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
5 };
6
7 void Test(void)
8 {
9 A *p;
10 {
11 A a;
12 p = &a; // 注意 a 的生命期。a只在花括号内有效
13 }
14 p->Func(); // p是“野指针”
15 }
（六）有了malloc/free为什么还要new/delete？
malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。
对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理，见示例：
1 class Obj
2 {
3 public :
4 Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
5 ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
6 void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
7 void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
8 };
9
10 void UseMallocFree(void)
11 {
12 Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
13 a->Initialize(); // 初始化
14 //…
15 a->Destroy(); // 清除工作
16 free(a); // 释放内存
17 }
18
19 void UseNewDelete(void)
20 {
21 Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
22 //…
23 delete a; // 清除并且释放内存
24 }
类Obj的函数Initialize模拟了构造函数的功能，函数Destroy模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree中，由于malloc/free不能执行构造函数与析构函数，必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete则简单得多。
所以我们不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程，对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。
既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？这是因为C++程序经常要调用C函数，而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
如果用free释放“new创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”，结果也会导致程序出错，但是该程序的可读性很差。所以new/delete必须配对使用，malloc/free也一样。
（七）内存耗尽了怎么办
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块，malloc和new将返回NULL指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。
（1）判断指针是否为NULL，如果是则马上用return语句终止本函数。例如：
1 void Func(void)
2 {
3 A *a = new A;
4 if(a == NULL)
5 {
6 return;
7 }
8 …
9 }
（2）判断指针是否为NULL，如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如：
1 void Func(void)
2 {
3 A *a = new A;
4 if(a == NULL)
5 {
6 cout << “Memory Exhausted” << endl;
7 exit(1);
8 }
9 …
10 }
（3）为new和malloc设置异常处理函数。
上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存，那么方式（1）就显得力不从心（释放内存很麻烦），应该用方式（2）来处理。
（八）malloc/free使用要点
函数malloc的原型如下：
1 void * malloc(size_t size);
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：
1 int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。
1、 malloc返回值的类型是void *，所以在调用malloc时要显式地进行类型转换，将void * 转换成所需要的指针类型。
2、malloc函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int, float等数据类型的变量的确切字节数。例如int变量在16位系统下是2个字节，在32位下是4个字节；而float变量在16位系统下是4个字节，在32位下也是4个字节。
（九）new/delete
运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，例如：
1 int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
2 int *p2 = new int[length];
这是因为new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言，new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数，那么new的语句也可以有多种形式。例如：
1 class Obj
2 {
3 public :
4 Obj(void); // 无参数的构造函数
5 Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
6 …
7 }
8
9 void Test(void)
10 {
11 Obj *a = new Obj;
12 Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
13 …
14 delete a;
15 delete b;
16 }
如果用new创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如：
1 Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象
不能写成：
1 Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1
在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如：
1 delete []objects; // 正确的用法
2 delete objects; // 错误的用法