C++是如何管理资源的？

C++是目前主流编程语言中，唯一通过初始化的方式获取资源（RAII，Resource Acquisition Is Initialization）的编程语言。与其它流行编程语言相比（如Java，JavaScript等），C++不需要编程语言提供GC机制，也能有效的对内存进行管理（手动管理）。先来看一段简单的C++代码。

#include<stdio.h>
int main()
{
    int * a = new int(10);
    int * b = a;
    *b = 11;
    cout<<*a<<" "<<*b<<endl;
    delete a;
    return 0;
}

11 11

这是一个典型的浅拷贝的例子。造成浅拷贝的原因是，指针a和b指向了同一块内存空间。其中，由new动态分配出的一块内存空间就在堆上，而指针a和b本身则存在于栈上。

栈空间

在大多数编程语言中，函数的调用与本地变量的都需要通过栈空间来实现，C++也不例外。在数据结构中，栈遵循“先进后出”的原则，栈空间也符合这一特性。事实上，函数的调用就是通过栈空间实现的。先执行的函数会先入栈，后执行的函数后入栈。

#include<stdio.h>
void bar() {
    cout<<"bar done"<<endl;
}
void foo() {
    bar();
    cout<<"foo done"<<endl;
}
int main()
{
    foo();
    cout<<"main done"<<endl;
    return 0;
}

bar done 
foo done 
main done

在这段代码中，函数执行时的入栈顺序为main foo bar，函数执行完毕的出栈顺序为bar foo main，满足先进后出的性质。具体地，在大部分计算机体系架构中，栈是由高地址向低地址增长。栈所占用的空间由栈顶指针表示（即栈空间的为栈底到栈顶指针指向的位置）。

当函数调用另一函数时，先将原函数的待执行的下一行汇编代码的地址压入栈中，然后再根据汇编指令中提供的新函数的首地址进行跳转，并进入该新函数。同时，栈指针向上（低地址方向）移动分配出本地变量所需的内存空间，然后再执行该函数中的代码。当新函数被执行完毕后，栈顶指针向下（高地址方向）移动释放出给新函数分配的空间，接着根据先于新函数入栈的汇编代码的地址，继续执行原函数的代码。

在栈空间的分配和释放通过栈顶指针的移动实现，严格遵循先进后出的性质，不会产生内存碎片。

看上去只要使用栈空间，就能够完成程序的执行，为什么还需要堆空间呢？

栈空间是连续的，系统需要一次性申请占用大块的连续内存空间，这会导致内存资源被浪费。
将大量不必要的数据堆积在栈中，会导致栈空间过于臃肿，影响栈空间中代码的执行效率。
部分对象的大小在编译时不能确定（如容器等），栈无法预留出合适的空间。
当需要对象的引用，而非对象的复制作为返回值时。

因此，栈空间主要负责执行，而堆空间主要负责存储。

堆空间

当使用动态内存分配时，就用到了堆空间（堆空间与数据结构中的堆没有关系）。我们通过动态内存分配，在堆空间中给数据申请大块的内存空间。在C++中（不考虑GC机制），堆的操作主要涉及两种：

让内存管理器分配一块内存。对应new。
让内存管理器释放一块内存。对应delete。

new与delete，内存的分配与释放

在C++中，new的底层通过调用malloc实现，delete的底层通过调用free实现。此外，值得注意的是，相比于delete操作符，new操作符是有可能抛出异常的。

new在执行过程中，会先分配内存（分配内存失败时会抛出异常），然后创建一个指针指向构造的对象，并将该指针返回。若能成功返回该指针，new的操作结束，否则将释放分配好的内存并向外抛出构造函数异常。

delete则会先判断指针是否为空指针，若指针非空，则会调用析构函数并释放对应的内存。因此，delete空指针是一个合法的操作（什么都不做）。

同时为了满足用户对申请和释放内存时的特殊需求，C++也提供了new与delete的重载功能，但二者扔需要满足new与delete原先的特性，即：

new不应返回空指针，而应该使用std::bad_alloc表示内存分配失败。
delete不应抛出异常。

new与delete时究竟发生了什么？

C++是如何管理资源的？

栈空间

堆空间

new与delete，内存的分配与释放

参考资料