内存管理基础

内存管理是 C++ 编程的关键环节，它提供了对内存如何分配和释放的精细控制。这与 JavaScript 的自动垃圾回收机制有显著不同。

栈内存 vs. 堆内存

在 C++ 中，内存主要在两个区域进行管理：栈和堆。

栈内存

• 自动分配： 用于局部变量、函数参数和返回地址。
• 后进先出 (LIFO)： 内存以严格的顺序分配和释放。
• 快速访问： 分配和释放速度非常快。
• 大小有限： 通常比堆内存小。
• 生命周期： 栈上的变量在其超出作用域时会自动释放。

堆内存

• 动态分配： 用于在编译时大小未知或生命周期超出函数作用域的数据。
• 手动管理： 程序员必须使用 new 和 delete（或 malloc/free）明确地分配和释放内存。
• 较慢访问： 分配和释放速度比栈内存慢。
• 较大大小： 通常比栈内存大得多。
• 生命周期： 内存会一直存在，直到明确释放或程序终止。

变量生命周期

• 自动 (栈) 变量： 在进入其作用域时创建，并在其作用域退出时销毁。
• 动态 (堆) 变量： 使用 new 创建，并持续存在直到明确地 delete。
• 静态变量： 在程序启动时分配一次，并在程序的整个执行期间持续存在。
• 全局变量： 类似于静态变量，在程序启动时分配，并在程序的生命周期内持续存在。

内存布局基础

典型的 C++ 程序内存布局包括：

• 文本/代码段： 存储可执行指令。
• 数据段： 存储全局和静态变量（已初始化和未初始化）。
• 堆： 动态分配的内存。
• 栈： 局部变量和函数调用信息。

与 JavaScript 内存模型的比较

JavaScript 使用垃圾回收器 (GC) 自动管理内存。当一个对象不再可达（不再被程序的任何部分引用）时，GC 会自动回收内存。这使开发人员无需手动内存管理，减少了内存泄漏和悬空指针等常见错误。

C++ 则需要手动内存管理。开发人员负责在需要时分配内存，并在不再需要时释放内存。未能释放内存会导致内存泄漏，而尝试访问已释放的内存会导致悬空指针或使用后释放错误。

内存泄漏概念

内存泄漏发生在程序在堆上分配内存，但在不再需要时未能释放它。这会导致可用内存逐渐消耗，可能导致程序甚至整个系统变慢或崩溃。

C++ 中内存泄漏的常见原因：

• 忘记 delete 使用 new 分配的内存。
• 丢失动态分配内存的指针。
• 在错误路径或异常情况下错误地处理内存。

基本内存管理原则

1. 需要时分配，完成时释放： 每个 new 都必须有对应的 delete（或 new[] 与 delete[]）。
2. 所有权： 明确定义代码的哪个部分负责管理一段内存。
3. RAII (资源获取即初始化)： 一种 C++ 编程惯用语，将资源（如内存）的生命周期与对象的生命周期绑定。当对象超出作用域时，其析构函数会自动释放资源。智能指针是 RAII 的主要范例。

调试内存问题

调试 C++ 中的内存问题可能具有挑战性。常用的工具包括：

• Valgrind (Linux/macOS)： 一个强大的内存调试器，可以检测内存泄漏、使用后释放错误和其他内存相关问题。
• AddressSanitizer (Clang/GCC)： 一个集成到编译器中的快速内存错误检测器。
• Visual Studio 诊断工具 (Windows)： Visual Studio 中用于内存分析和泄漏检测的内置工具。

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练习题：

1. 解释 C++ 中栈和堆内存之间的关键差异。何时会选择在堆而不是栈上分配内存？
2. 什么是内存泄漏，它在 C++ 中如何发生？JavaScript 的内存管理方法如何缓解这个问题？
3. 描述 RAII 原则以及它如何帮助 C++ 内存管理。

项目构想：

• 编写一个 C++ 程序，模拟一个简单的链表。实现添加节点、移除节点和打印列表的函数。密切注意内存分配和释放，以避免内存泄漏。明确使用 new 和 delete。