c++面試題之內存分配

1:c中的malloc和c++中的new有什麼區別
malloc和new有以下不同:
(1)new、delete 是操作符,可以重載,只能在C++中使用。
(2)malloc、free是函數,可以覆蓋,C、C++中都可以使用。
(3)new 可以調用對象的構造函數,對應的delete調用相應的析構函數。
(4)malloc僅僅分配內存,free僅僅回收內存,並不執行構造和析構函數
(5)new、delete返回的是某種數據類型指針,malloc、free返回的是void指針。
 注意:malloc申請的內存空間要用free釋放,而new申請的內存空間要用delete釋放,不要混用。因爲兩者實現的機理不同。
2.簡述c、c++程序編譯的內存分配情況
C、C++中內存分配方式可以分爲三種:
(1)從靜態存儲區域分配:
   內存在程序編譯時就已經分配好,這塊內存在程序的整個運行期間都存在。速度快、不容易出錯,因爲有系統會善後。例如全局變量,static變量等。
(2)在棧上分配:
  在執行函數時,函數內局部變量的存儲單元都在棧上創建,函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置於處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內存容量有限。
(3)從堆上分配:
  即動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意大小的內存,程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由程序員決定,使用非常靈活。如果在堆上分配了空間,就有責任回收它,否則運行的程序會出現內存泄漏,另外頻繁地分配和釋放不同大小的堆空間將會產生堆內碎塊。
  一個C、C++程序編譯時內存分爲5大存儲區:堆區、棧區、全局區、文字常量區、程序代碼區。
3.簡述strcpy、sprintf與memcpy的區別
三者主要有以下不同之處:
(1)操作對象不同,strcpy的兩個操作對象均爲字符串,sprintf的操作源對象可以是多種數據類型,目的操作對象是字符串,memcpy 的兩個對象就是兩個任意可操作的內存地址,並不限於何種數據類型。
(2)執行效率不同,memcpy最高,strcpy次之,sprintf的效率最低。
(3)實現功能不同,strcpy主要實現字符串變量間的拷貝,sprintf主要實現其他數據類型格式到字符串的轉化,memcpy主要是內存塊間的拷貝。
  說明:strcpy、sprintf與memcpy都可以實現拷貝的功能,但是針對的對象不同,根據實際需求,來選擇合適的函數實現拷貝功能。
4.堆與棧的比較
  (1)申請方式
   stack(棧):由系統分配,例如聲明在函數中一個局部變量 int b;
   heap (堆):需要程序員自己申請並指明大小,如 malloc和new
  (2)申請後系統的響應
  棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將爲程序提供內存,否則 將報異常提示棧溢出。
  堆:首先應該知道操作系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表,當系統收到程序的申請時,會遍歷該鏈表,尋找第一個空間大於所 申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除,並將該結點的空間分配給程序。
  對於大多數系統,會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。
  由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。
 (3)申請大小的限制
  棧:在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構,是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的, 在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩餘空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。
  堆:堆是向高地址擴展的數據結構,是不連續的內存區域。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的,自然是不連續的,而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
 (4)申請效率的比較
  棧由系統自動分配,速度較快。但程序員是無法控制的。
  堆是由new分配的內存,一般速度比較慢,而且容易產生內存碎片,不過用起來最方便。
  另外,在 WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配內存,他不是在堆,也不是棧,而是直接在進程的地址空間中保留一快內存,雖然用起來最不方便。但是速度快,也最靈活。
 (5)堆和棧中的存儲內容
  棧:在函數調用時,第一個進棧的是主函數中後的下一條指令(函數調用語句的 下一條可執行語句)的地址,然後是函數的各個參數,在大多數的C編譯器中,參數是由右往左入棧的,然後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
  當本次函數調用結束後,局部變量先出棧,然後是參數,最後棧頂指針指向最開始存的地址,也就是主函數中的下一條指令,程序由該點繼續運行。
  堆:一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。
 (6)存取效率的比較
  char s1[] = "a";
  char *s2 = "b";
  a是在運行時刻賦值的;而b是在編譯時就確定的;但是,在以後的存取中,在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。 比如:
int main(){
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return 0;
}
對應的彙編代碼
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: a = p[1];
0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al
第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中,而第二種則要先 把指針值讀到edx中,再根據edx讀取字符,顯然慢了。

5.堆和棧的主要區別小結
堆和棧的主要區別由以下幾點:
  1、管理方式不同;
  2、空間大小不同;
  3、能否產生碎片不同;
  4、生長方向不同;
  5、分配方式不同;
  6、分配效率不同;
  管理方式:對於棧來講,是由編譯器自動管理,無需我們手工控制;對於堆來 說,釋放工作由程序員控制,容易產生memory leak。
  空間大小:一般來講在32位系統下,堆內存可以達到4G的空間,從這個角度來看 堆內存幾乎是沒有什麼限制的。但是對於棧來講,一般都是有一定的空間大小的,例如,在VC6下面,默認的棧空間大小是1M。當然,這個值可以修改。
  碎片問題:對於堆來講,頻繁的new/delete勢必會造成內存空間的不連續,從而造成大量的碎片,使程序效率降低。對於棧來講,則不會存在這個問 題,因爲棧是先進後出的隊列,他們是如此的一一對應,以至於永遠都不可能有一個內存塊從棧中間彈出,在他彈出之前,在他上面的後進的棧內容已經被彈出,詳 細的可以參考數據結構。
  生長方向:對於堆來講,生長方向是向上的,也就是向着內存地址增加的方向;對於棧來講,它的生長方向是向下的,是向着 內存地址減小的方向增長。
  分配方式:堆都是動態分配的,沒有靜態分配的堆。棧有2種分配方式:靜態分配和動態分配。靜態分配是編譯器完成的, 比如局部變量的分配。動態分配由malloca函數進行分配,但是棧的動態分配和堆是不同的,他的動態分配是由編譯器進行釋放,無需我們手工實現。
  分配效率:棧是機器系統提供的數據結構,計算機會在底層對棧提供支持:分配專門的寄存器存放棧的地址,壓棧出棧都有專門的指令執行,這就決定了棧的效率 比較高。堆則是C/C++函數庫提供的,它的機制是很複雜的,例如爲了分配一塊內存,庫函數會按照一定的算法(具體的算法可以參考數據結構/操作系統)在 堆內存中搜索可用的足夠大小的空間,如果沒有足夠大小的空間(可能是由於內存碎片太多),就有可能調用系統功能去增加程序數據段的內存空間,這樣就有機會 分 到足夠大小的內存,然後進行返回。顯然,堆的效率比棧要低得多。
從這裏我們可以看到,堆和棧相比,由於大量new/delete的使用, 容易造成大量的內存碎片;由於沒有專門的系統支持,效率很低;由於可能引發用戶態和核心態的切換,內存的申請,代價變得更加昂貴。所以棧在程序中是應用最 廣泛的,就算是函數的調用也利用棧去完成,函數調用過程中的參數,返回地址, EBP和局部變量都採用棧的方式存放。所以,我們推薦大家儘量用棧,而不是用堆。
雖然棧有如此衆多的好處,但是由於和堆相比不是那麼靈活,有 時候分配大量的內存空間,還是用堆好一些。
  無論是堆還是棧,都要防止越界現象的發生(除非你是故意使其越界),因爲越界的結果要麼是程序崩 潰,要麼是摧毀程序的堆、棧結構,產生以想不到的結果。

 

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