C++初学者指南第一步—10.内存（基础）

1.内存模型

1.1 纸上谈兵：C++的抽象内存模型

C++ 的语言规范基于抽象内存模型。
具体实现（编译器，C++运行时等）可以采用不同策略来满足具体平台（CPU架构，操作系统等）上的这些规范。
内存组织

示例：std::int16_t i = 1234; 是一个名为 i 的对象，大小为 2 字节（= 16 位），值为 0000010011010010，
根据其类型 int16_t 表示数字 1234。

请注意，抽象模型并没有涉及到内存是如何划分的，也不涉及缓存层次结构。

对象存储持续时间类型

自动	对象生存期绑定到 { … } 块作用域的开始到结束	局部变量、函数参数
动态	通过特殊指令控制对象寿命	可以按需创建/销毁且独立于块作用域的对象
线程	与线程的开始和结束相关的对象生存期	每线程存储
静态	对象生存期与程序的开始和结束相关联	单例

1.2 实践：内存的实际处理

C++内存模型的实际实现

• 受到目标平台的功能和限制的限制 （CPU/内存架构、操作系统、编译器）
• 需要修复C++标准留下的选项，例如字节中的位数（在大多数平台上为8）
• 需要支持c++标准描述的对象存储期/生命周期方案(自动、动态、线程、静态)

常见的解决方案:自动/动态存储期专用内存分区

HEAP 堆（也被称为自由存储区）

• 用于动态存储期对象，例如std::vector的内容
• 空间大：可用于大容量存储（大部分主内存）
• 根据需要分配和释放任何对象。
• 无序分配和释放 ⇒ 导致内存碎片化
• 分配缓慢：需要为新对象找到连续的空置空间

STACK 栈(堆栈)

• 用于自动存储持续时间局部变量、函数参数的对象等。
• 空间小（通常只有几 MB）
• 快速分配：新对象始终放在顶部
• 以创建的相反顺序释放分配的对象
• 无法释放分配在最顶部以下的对象 （= 最新）

2. 自动存储

栈通常用于自动存储持续时间的对象如局部变量（包括函数参数）：
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3.动态存储：std::vector

3.1 动态内存分配

当前：只使用std::vector
后面：使用更多的标准库容器（set、map…）
再后面：手动动态内存分配
在现代 C++ 中，手动分配内存实际上只有在你想要实现自己的动态数据结构/容器时才是真正必要的。

3.2 std::vector 内存布局

• 每个向量对象都有一个单独的缓冲区，该缓冲区是动态分配的（在堆上），实际内容存储在其中。
• 现在我们只知道如何在栈上分配对象，但向量对象 v 本身也可以在堆上分配（更多内容请参阅后面的章节）。

vector<int> v {0,1,2,3,4};

3.3 std::vector 扩容方案

• 分配后的内存块无法调整大小！（之前分配的内存块后面不一定有剩余空间）
• 动态数组实现将数组对象与用于存储值的实际内存块分开。
• 然后通过以下方式进行扩容：
  1. 动态分配新的、(≈1.1-2×)更大的内存块
  2. 将旧值复制/移动到新块
  3. 释放旧的、较小的内存块
     
     动态数组(维基百科)

3.4 std::vector的大小(size)和容量(capacity)

• .size()→ 向量中的元素数量
• .resize(新的元素数量)
• . capacity() → 可以使用的内存槽数量（容量）
• .reserve(新的容量)
  
  注意：如果您大概知道元素的数量 ⇒ 在将元素添加到向量之前先进行预留(reserve)！
  这样可以避免在增长阶段时进行不必要的内存分配和复制。

3.5 std::vector内存生命周期示例

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附上原文链接
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