C++的内存管理
一个C/C++编译的程序占用内存分为以下几个部分：
- 栈区（stack）：由编译器自动分配与释放，存放为运行时函数分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作类似于数据结构中的栈。
- 堆区（heap）：一般由程序员分配，如果程序员没有释放，程序结束时可能有OS回收。其分配类似于链表。
- 全局区（静态区static）：存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后由系统释放。全局区分为已初始化全局区（data）和未初始化全局区（bss）。
- 常量区（文字常量区）：存放常量字符串，程序结束后由系统释放。
- 代码区（*存储区）：存放函数体（类成员函数和全局区）的二进制代码。
堆和栈的区别
1.堆和栈的生长方向不同
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。
2.堆会随使用产生碎片，栈不会
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
3.管理方式不同
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。
4.堆未及时释放容易造成内存泄漏
5.堆都是动态分配的，栈可以动态分配可以静态分配
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，因此栈的效率比较高。
堆是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。
7.应用场景
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，程序开发时应尽可能使用栈。
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。
*存储区和堆的区别
malloc在堆上分配的内存块，使用free释放内存，而new所申请的内存则是在*存储区上，使用delete来释放。
插播new与delete的区别
new-delete是运算符，而malloc-free是库函数，malloc-free不能进行构造和析构。
new-delete的功能可以完全覆盖malloc-free，由于C++会调用C函数，而C只能使用malloc-free，因此保留了malloc-free。
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malloc-free |
new-delete |
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内存分配位置 |
堆 |
*存储区 |
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分配成功返回值 |
void* |
对应类型指针 |
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分配失败返回值 |
NULL |
抛出异常 |
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分配内存大小 |
用户计算 |
自动 |
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处理数组 |
× |
√ |
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已分配内存的扩充 |
√ |
× |
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互相调用 |
× |
√ |
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分配内存时内存不足 |
用户不可处理 |
用户可重新申请 |
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重载 |
× |
√ |
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调用构造/析构 |
× |
√ |
Q：很多编译器的new/delete都是以malloc/free为基础来实现的，借以malloc实现的new，所申请的内存是在堆上还是在*存储区上？*存储区与堆是两块不同的内存区域吗？它们有可能相同吗？
A: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*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*存储区。
基本上，所有的C++编译器默认使用堆来实现*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，这时借由new运算符分配的对象，说它在堆上也对，说它在*存储区上也正确。但程序员也可以通过重载操作符，改用其他内存来实现*存储，例如全局变量做的对象池，这时*存储区就区别于堆了。
因此：堆是操作系统维护的一块内存，而*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*存储区并不等价。
常见的内存错误和解决方法
1. 内存分配未成功，却使用了它
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）。
3. 内存使用越界
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. 内存泄漏
多由程序员忘记释放堆内存引起。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. 使用已释放内存
a) 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。
b) 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。
c) 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”。
6. 浅复制造成的释放已释放的内存
复制构造函数，在用户未定义复制函数时，C++提供的默认复制函数，作用是把两个类复制。
应用场景：
i. 形参是本类类型对象的引用：String test1(test2);
ii. 形参为按值传递，未使用指针or引用：void show_String(const String)
iii. string B; string A=B;
问题的产生：
i. 复制构造函数采用的是浅复制，即复制了相关类成员的指针，而没有开辟新的空间，内存中的数据还是那一份数据。
ii. 当释放某一个指针所指对象后，操作由复制构造函数形成的另外指针将会引发内存使用错误。
解决方法：
定义开辟空间的复制函数进行深拷贝
内存泄漏&预防
内存泄漏源于new出的内存没有全部被delete掉导致的内存消耗，使用智能指针能将内存泄漏风险降至最低。
智能指针利用C++ RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取就是初始化）原则。RAII的做法是使用一个对象，在其构造时获取对应的资源，在对象生命期内控制对资源的访问，使之始终保持有效，最后在对象析构的时候，释放构造时获取的资源。（std::mutex互斥锁就是用的这个原则，退出局部变量使用域的时候自动释放锁）
几种智能指针↓
1. auto_ptr（旧）--> unique_ptr（C++11）
在构造的时候获取资源，在析构的时候释放资源，并进行相关指针操作的重载，使用起来就像普通的指针。独享资源所有权。由于其构造函数声明为explicit的，因此不能通过隐式转换来构造，只能显示调用构造函数。
2. share_ptr（C++11）
允许限定的资源被多个指针共享。
3. weak_ptr
weak_ptr是一种用于解决shared_ptr相互引用时产生死锁问题的智能指针。如果有两个shared_ptr相互引用，那么这两个shared_ptr指针的引用计数永远不会下降为0，资源永远不会释放。weak_ptr是对对象的一种弱引用，它不会增加对象的use_count，weak_ptr和shared_ptr可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给weak_ptr，weak_ptr也可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。