c++的指针：先在栈中存指针a，再向堆中申请内存空间存该指针所指向的元素，然后a指向该地址。

参考链接： C/C++内存分配管理——作者HUST_Miao

一、写在前面——单片机/DSP等硬件开发与纯软开发的区别

单片机是没有操作系统的，所以每次写完代码，都需要借助烧写器把程序烧录进去，这样程序才能跑起来。
单片机的CPU是直接操作内存的物理地址。在这种情况下，要想在内存中同时运行两个程序，是不可能的(会立即崩溃)。如果第一个程序在地址为2000的位置写入一个新的值，将会“擦掉”第二个程序存放在相同地址的所有内容。这里的关键问题在于，两个程序都引用了绝对物理地址，这是我们需要避免的。

如何避免物理地址冲突？

我们可以把进程所使用的地址分离开，即让操作系统为每个进程分配独立的一套虚拟地址。这个虚拟地址“人人都有”，大家互不干涉。但前提是每个进程都不能访问物理地址。虚拟地址怎么落到物理内存里，对进程来说都是透明的。
操作系统已经考虑到这一点了——操作系统会提供这样一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址产生特定的映射关系。如果程序要访问虚拟地址，就会由操作系统转换成不同的物理地址。这样的话，当不同的进程运行的适航，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。

二、内存概述

在C++中内存分为5个区，分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

堆：堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。
栈：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，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于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
自由存储区：自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。
全局/静态存储区：这块内存是在程序编译的时候就已经分配好的，在程序整个运行期间都存在。例如全局变量，静态变量。
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(const)，不允许修改。

三、内存分配的方式

静态存储区分配

内存在程序编译的时候就已分配好，这块内存在程序的整个运行空间内都存在，如静态变量，全局变量等。

栈空间分配

程序在运行期间，函数内的局部变量通过栈空间(函数调用栈的方式)来分配存储。当函数执行完毕return时，栈空间就会被立即回收，如局部变量。

堆空间分配

运行程序时，主要通过堆空间为其分配内存空间。通过malloc和new创建的对象都是从堆空间分配内存。这类空间则需要我们程序员自己管理，即用多少开多少，不用的时候及时释放掉。否则就可能会造成内存溢出的后果。

四、常见的内存错误及解决方法

内存分配未成功，却使用了它。

解决方法：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来申请内存，应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。如果是用new来申请内存，申请失败是会抛出异常，所以应该捕捉异常来进行放错处理。
内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。

解决方法：尽管有时候缺省时会自动初始化，但是无论创建什么对象均要对其进行初始化，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
内存分配成功，但越界访问。

　解决方法：对数组for循环时要把握边界，否则可能会导致数组越界。

忘记了释放内存，导致内存泄漏。

　解决方法：动态内存的申请和释放必须配对，new-delete和malloc-free且使用次数必须相同。

五、malloc关键字

malloc()函数的头文件是stdlib.h，其函数声明如下： void* malloc(size_t size); 其中参数size_t size表示动态内存分配空间的大小，以字节为单位。
size_t 是typedef重定义的类型，重定义这样数据类型的作用就是让使用者一目了然，指示使用者这个参数表示一个长度，在size后加上t，表示是整型相关数据类型的，以后看到xxx_t的类型，通常都是整型相关数据类型重定义。在这里malloc()函数的返回值是一个指针，或者说是分配后内存空间的首地址。
malloc() 分配的是虚拟内存。

5.1 malloc 是如何分配内存的？

malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。
malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存;
方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存;

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。

方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。

如果malloc()函数申请空间成功则返回一段内存空间的首地址，失败则返回NULL。

5.2 什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

5.3 free 释放内存，会归还给操作系统吗？

malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

六、new与malloc的区别

提到内存分配，就不可避免地涉及new和malloc。

申请的内存所在位置 new操作符从自由存储区（3）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上（1）动态分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。

那么自由存储区是否能够是堆（问题等价于new是否能在堆上动态分配内存），这取决于operator new 的实现细节。自由存储区不仅可以是堆，还可以是静态存储区，这都看operator new在哪里为对象分配内存。

特别地，new甚至可以不为对象分配内存！

返回类型安全性 new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。而malloc内存分配成功则是返回void* ，需要通过强制类型转换将void* 指针转换成我们需要的类型。类型安全很大程度上可以等价于内存安全，类型安全的代码不会试图方法自己没被授权的内存区域。关于C++的类型安全性可说的又有很多了。
内存分配失败时的返回值 new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常，它不会返回NULL；malloc分配内存失败时返回NULL。在使用C语言时，我们习惯在malloc分配内存后判断分配是否成功.
是否需要指定内存大小使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小，编译器会根据类型信息自行计算，而malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。
是否调用构造函数/析构函数使用new操作符来分配对象内存时会经历三个步骤：
- 第一步：调用operator new 函数（对于数组是operator new[]）分配一块足够大的，原始的，未命名的内存空间以便存储特定类型的对象。
- 第二步：编译器运行相应的构造函数以构造对象，并为其传入初值。
- 第三步：对象构造完成后，返回一个指向该对象的指针。

使用delete操作符来释放对象内存时会经历两个步骤：

第一步：调用对象的析构函数。
第二步：编译器调用operator delete(或operator delete[])函数释放内存空间。

总之，new/delete会调用对象的构造函数/析构函数以完成对象的构造/析构。而malloc则不会。

七、内存泄漏

7.1 什么是内存泄漏？

指程序未能释放已经不用的内存的情况，即应用程序分配某段内存后，失去了对该段内存的控制，从而造成内存浪费的现象。

7.2 内存泄漏的危害

简而言之，内存泄漏使得程序响应越来越慢，最终卡死。

7.3 内存泄露的方式

内存泄漏分为两类：堆内存泄露和系统资源泄露。

堆内存泄露

“堆内存”指的是程序执行中使用malloc/new等从堆中分配的一块内存(值得注意的是，int a这样的内存是从栈内分配的)，用完后必须free/delete掉。假设没有，就会出现堆内存泄露现象。

系统资源泄露

“系统资源”指的是使用系统分配的资源，如套接字、文件描述符等。它们没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源浪费。严重的会导致系统效能减少，从而导致系统不稳定。

7.4 如何避免内存泄漏

当然是养成良好的工程设计规范，申请了内存空间记得释放。但必须注意的是，有时候释放了也会出问题..具体情况具体分析吧！
使用内部实现的私有内存管理库(有些企业自己会做这种库，形成自己的平台代码体系)。这种库带有内存泄漏检测功能。
“事后检查”——使用现成的内存泄漏检测工具(不过一般不太靠谱..)
“事前预防”——采用RAII思想或智能指针来管理资源。智能指针详见我的博文：智能指针专题

八、相关问题

32位和64位CPU的区别是什么？ 32 位和 64 位软件的区别是什么？

32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据：

32 位 CPU 一次可以计算 4 个字节的数据；
64 位 CPU 一次可以计算 8 个字节的数据；
这里的 32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽。

之所以 CPU 要这样设计，是为了能计算更大的数值。举个栗子，如果是 8 位的 CPU，那么一次只能计算 1 个字节 0~255 范围内的数值，这样就无法一次完成计算 10000 * 500。(但请注意，8位CPU可以支持最大 255 * 255 的运算，因为 8 位 CPU 可以一次读入 8 位的数字，并且 8 位 CPU 内部的逻辑运算单元也支持 8 位数字的计算。)于是为了能一次计算大数的运算，CPU 需要支持多个 byte 一起计算，所以 CPU 位宽越大，可以计算的数值就越大。比如说 32 位 CPU 能计算的最大整数是 4294967295。

CPU 内部还有一些组件，常见的有寄存器、控制单元和逻辑运算单元等。其中，控制单元负责控制 CPU 工作，逻辑运算单元负责计算，而寄存器可以分为多种类，每种寄存器的功能又不尽相同。

软件位不同，实际上代表指令不同(是 64 位还是 32 位的)。

如果 32 位指令在 64 位机器上执行，需要一套兼容机制，就可以做到兼容运行了。但是如果 64 位指令在 32 位机器上执行，就比较困难了，因为 32 位的寄存器存不下 64 位的指令；
操作系统其实也是一种程序，我们也会看到操作系统会分成 32 位操作系统、64 位操作系统，其代表意义就是操作系统中程序的指令是多少位，比如 64 位操作系统，指令也就是 64 位，因此不能装在 32 位机器上。

总之，硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽，软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽。

CPU是如何执行程序的？

第一步，CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到「指令寄存器」。
第二步，CPU 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执行；
第三步，CPU 执行完指令后，「程序计数器」的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由 CPU 的位宽决定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会自增 4；

C++内存管理与分配相关知识点总结

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