C++ 内存管理与编译原理 （面试复习2）

目录

[一、 内存布局 (Memory Layout)](#一、 内存布局 (Memory Layout))

[1. C++ 程序的内存分区](#1. C++ 程序的内存分区)

[2. 堆 (Heap) 和 栈 (Stack) 的区别](#2. 堆 (Heap) 和 栈 (Stack) 的区别)

[二、 内存分配 (Memory Allocation)](#二、 内存分配 (Memory Allocation))

[1. new / delete 和 malloc / free 的区别](#1. new / delete 和 malloc / free 的区别)

[2. delete 和 delete[] 的区别](#2. delete 和 delete[] 的区别)

[3. 什么是内存泄漏 (Memory Leak)？如何检测？](#3. 什么是内存泄漏 (Memory Leak)？如何检测？)

[4. 什么是内存对齐 (Memory Alignment)？为什么要对齐？](#4. 什么是内存对齐 (Memory Alignment)？为什么要对齐？)

[三、 编译链接 (Compilation & Linking)](#三、 编译链接 (Compilation & Linking))

[1. 从源码到可执行文件的四个步骤](#1. 从源码到可执行文件的四个步骤)

[2. 静态链接和动态链接的区别](#2. 静态链接和动态链接的区别)

后续建议

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一、 内存布局 (Memory Layout)

C++ 程序在运行时的内存空间通常被划分为以下几个主要区域（从高地址到低地址通常为栈向堆方向）：

1. C++ 程序的内存分区

1. 栈区 (Stack)：

   • 由编译器自动分配和释放。

   • 存放函数的参数值、局部变量、返回值地址等。

2. 堆区 (Heap)：

   • 由程序员手动分配（new/malloc）和释放（delete/free）。

   • 若程序员不释放，程序结束时可能由 OS 回收。

3. 全局/静态区 (Global/Static)：

   • .data 段：存放已初始化的全局变量和静态变量。

   • .bss 段：存放未初始化的全局变量和静态变量（程序启动前由内核清零）。

4. 常量区 (Literal/Constant)：

   • 通常对应 .rodata 段。

   • 存放常量字符串、const 修饰的全局变量。此区域只读，修改会导致非法访问（Segmentation Fault）。

5. 代码区 (Code/Text)：

   • 存放函数体的二进制机器指令。

2. 堆 (Heap) 和 栈 (Stack) 的区别

这是面试中最高频的考点之一，建议从以下四个维度对比：

特性	栈 (Stack)	堆 (Heap)
申请方式	系统自动分配 。例如声明 int a;。	程序员手动申请 。例如 new int(10);。
分配效率	极高。仅需移动栈指针（寄存器操作），且有专门的指令支持。	较低。C 库需遍历空闲链表寻找合适大小的内存块，可能涉及系统调用。
空间大小	较小。通常为几 MB（如 Linux 默认 8MB，Windows 默认 1MB）。	很大。受限于虚拟内存空间，32位系统理论可近 4GB（实际约 2-3GB）。
碎片问题	无碎片。严格遵循 LIFO（后进先出），内存是连续的。	容易产生碎片。频繁的分配释放会导致内存空间不连续。

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二、 内存分配 (Memory Allocation)

1. new / delete 和 malloc / free 的区别

特性	new / delete	malloc / free
本质	C++ 运算符 (Operator)，可重载。	C 标准库函数。
构造/析构	自动调用 。new 先分配内存再调用构造函数；delete 先调析构再释放内存。	不调用。仅负责分配和释放纯粹的内存字节。
类型安全	类型安全。返回具体类型指针，无需强转。	不安全 。返回 void*，需要强制类型转换。
大小计算	编译器自动计算类型大小。	需要手动传递字节数（如 sizeof(T)）。

2. delete 和 delete[] 的区别

• 区别：

  • delete：用于释放单个对象。

  • delete[]：用于释放数组。它会根据数组前的"cookie"（记录数组大小的信息）知道要调用多少次析构函数。

• 如果在数组上错用 delete (如 int* p = new int[10]; delete p;)：

  • 对于内置类型 (int, char)：通常不会出大问题，内存会被释放（因为 allocator 知道块的大小），但这是 Undefined Behavior (UB)。

  • 对于自定义类 (Class) ：只会调用第一个对象的析构函数 ，剩余 9 个对象的析构函数不会被调用。如果对象内部管理着资源（如打开的文件、动态申请的内存），将导致严重的资源泄漏。

3. 什么是内存泄漏 (Memory Leak)？如何检测？

• 定义：程序动态申请了堆内存，但使用完后没有释放，导致这部分内存既不能被程序再次使用，也不能被操作系统回收（直到进程结束）。

• 检测手段：

  • Linux : 使用 Valgrind (valgrind --leak-check=full ./app)。

  • Windows (VS) : 使用 CRT Debug Library (_CrtDumpMemoryLeaks()) 或 Visual Studio 自带的诊断工具。

  • 代码层面 : 使用智能指针 (std::unique_ptr, std::shared_ptr) 实现 RAII，从根源杜绝泄漏。

4. 什么是内存对齐 (Memory Alignment)？为什么要对齐？

• 定义 ：数据在内存中的起始地址必须是其类型大小（或特定数值）的整数倍。例如，4 字节的 int 通常存储在地址能被 4 整除的地方。

• 原因：

  1. 性能 (Performance)：CPU 读取内存通常按块读取（如 4 或 8 字节）。如果数据未对齐（跨越了两个块），CPU 需要做两次内存访问并进行拼接，效率减半。

  2. 平台兼容性 (Portability)：某些硬件架构（如某些 ARM 或 RISC 架构）如果访问未对齐的内存，会直接触发硬件异常（Bus Error / Crash）。

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三、 编译链接 (Compilation & Linking)

1. 从源码到可执行文件的四个步骤

1. 预处理 (Preprocessing) (g++ -E)：

   • 处理 #include（展开头文件）、#define（宏替换）、#ifdef（条件编译）。

   • 删除注释。

   • 生成 .i 文件。

2. 编译 (Compilation) (g++ -S)：

   • 语法分析、词法分析、语义分析。

   • 代码优化。

   • 将 C++ 代码翻译成汇编代码。

   • 生成 .s 文件。

3. 汇编 (Assembly) (g++ -c)：

   • 将汇编代码翻译成机器能识别的机器码 (Machine Code)。

   • 生成 .o (Linux) 或 .obj (Windows) 目标文件。

4. 链接 (Linking) (g++ -o)：

   • 合并多个 .o 文件和库文件。

   • 符号解析：找到函数和变量的定义。

   • 地址重定位：确定所有符号的最终内存地址。

   • 生成可执行文件 (.exe / .out)。

2. 静态链接和动态链接的区别

特性	静态链接 (Static Linking)	动态链接 (Dynamic Linking)
文件类型	.a (Linux), .lib (Windows)	.so (Linux), .dll (Windows)
链接时机	编译链接阶段，代码被复制进可执行文件。	程序运行阶段，代码仅被引用，不复制。
可执行文件大小	大（包含所有依赖库代码）。	小（仅包含引用信息）。
依赖性	低。发布时不需带库文件，独立运行。	高。运行环境必须有对应版本的动态库。
升级维护	难。库更新需重新编译发布整个程序。	易。只需替换动态库文件即可。

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后续建议

这些是理论基础，为了加深印象，您可以尝试以下操作：

• 写一个会导致内存泄漏的各种场景的小 Demo，然后用 Valgrind 跑一下，看它输出的报告是什么样的。

• 查看汇编代码 ：写一个简单的 main.cpp，使用 g++ -E main.cpp > main.i 和 g++ -S main.cpp，亲自查看预处理和编译后的文件内容。