此刻，不管你是初出茅庐、满怀热忱的编程新手，还是在代码江湖里闯荡已久、经验丰富的高手，相信都深知在 C++ 这片充满挑战与惊喜、机遇与难题并存的浩瀚领域里，内存管理绝对堪称重中之重。它就如同搭建万丈高楼大厦时深埋地下、坚如磐石的根基，一旦根基不稳，再华丽的上层建筑都有崩塌的风险。
今天，咱们满怀期待，就要一头扎进这关键至极的知识海洋，把目光牢牢聚焦于 “深入理解 C++ 内存管理：指针、引用和内存分配” 这个核心主题。大家不妨静下心来好好回想一下，在那些挑灯夜战、为了实现一个精妙功能而精心编写代码的时刻，满心期待程序能够如丝般顺滑、高效运行，可现实却常常不尽人意，是不是总会被一些莫名其妙、好似鬼魅般的内存问题搅得焦头烂额？一会儿是程序莫名崩溃，一会儿是数据诡异丢失，又或是内存泄漏让系统逐渐卡顿。
一、内存分布大揭秘
1.1常见分配方式
栈区（stack）：局部变量与函数调用的舞台
栈区在 C++ 内存管理中扮演着十分重要的角色，它主要由编译器自动进行分配和释放。就像是一个临时的 “储物间”，当函数被调用时，这个 “储物间” 就开始为函数里的局部变量、函数参数等开辟相应的空间，用来存放它们的值。例如，我们在函数里定义了一个 int 类型的局部变量 a，那这个 a 就会被存放在栈区中。
栈区存放的内容通常都是跟函数执行紧密相关的元素，像函数的参数值以及函数内部声明的非静态变量（不管是基本数据类型如 int、char、float 等，还是结构体、数组等复合数据类型的局部实例）都会存放在这里。而且栈还承担着管理函数调用信息的重任，包括返回地址、调用者的栈帧指针等，这些信息对于函数调用和返回的正常管理起着关键作用。
从生长方向来看，以地址的增长方向为上的话，栈地址是向下增长的。同时，栈区的空间大小是有限制的，虽然它分配和释放内存的速度非常快，效率很高，这得益于其操作基于先进后出（LIFO）的原则，硬件可以高效地进行栈的操作，但这也使得它不太适合存储大量或者生命周期较长的数据。不过在很多情况下，比如函数内部临时使用的一些变量，使用栈区来存储就非常方便且高效了。
堆区（heap）：动态内存分配的自由空间
与栈区由编译器自动管理不同，堆区是一块供程序员手动申请和释放内存的 “自由天地”。当程序运行过程中需要动态分配内存时，比如要创建一个大小不确定的数组或者复杂的数据结构（像链表、树、图等），就可以通过 malloc（C 语言中常用）、new（C++ 里常用）等方式在堆区申请相应的内存空间。
一旦程序员申请了堆区的内存，系统会响应这个请求，在堆区找到合适的空闲内存块分配给程序使用。堆区的空间灵活性很强，其空间通常比栈区大得多，可以满足程序在运行过程中对大量动态内存的需求，只要系统还有足够的内存资源，理论上堆区可以不断地分配内存。
然而，这种手动管理的方式也带来了一些挑战。要是程序员在使用完内存后忘记释放，就会导致内存泄漏的问题，这些被泄漏的内存会一直被占用，直到程序结束，若长时间运行且频繁出现这种情况，很可能耗尽系统资源。另外，频繁地在堆区进行内存的分配和释放操作，还可能产生内存碎片，影响内存的整体利用效率。
和栈区对比，栈区自动分配释放，使用起来简单直接，空间有限但效率高；而堆区虽然空间大且灵活，但需要程序员自己谨慎地管理内存的申请和释放，避免出现各种内存相关的错误。
全局 / 静态存储区：程序运行中的持久存在
全局 / 静态存储区在程序编译时就已经确定了内存分配，这里存放着全局变量和静态变量。全局变量就是在函数外部声明的变量，它在整个程序的运行期间都存在，并且可以被程序中的任何函数访问，作用域比较广泛。
静态变量又分为静态局部变量和静态全局变量。静态局部变量是在函数内部声明的，但它只会在第一次调用函数时初始化，之后在整个程序的运行期间都会保持其值，不过它的作用域依然限定在定义它的函数内部；静态全局变量在声明时加上 static 关键字，其作用域限制在声明它的文件内部，默认初始化为 0（对于数值类型）或空指针（对于指针类型）。
在这个存储区里，不管是全局变量还是静态变量，它们在程序启动时进行初始化，然后一直存在于内存中，直到程序结束才会由系统释放掉所占用的内存，生命周期贯穿了整个程序的运行过程。
常量存储区：只读常量的栖息处
常量存储区是一块比较特殊的区域，它里面存放的是常量，像字面常量（比如整数常量、字符常量、字符串常量等）以及使用 const 关键字声明的常量对象都 “栖息” 在此。
这些存储在常量存储区的数据具有只读的特性，在程序运行期间是不允许修改的，这一特点有助于确保程序的正确性和安全性，防止意外地对常量数据进行改写，避免引发程序逻辑错误等问题。并且由于常量数据在程序运行期间不会改变，编译器还可以针对这一点进行一些优化，使得对常量数据的访问更加高效。
例如，我们定义了一个字符串常量 const char* str = “hello”;，这里的 “hello” 这个字符串就存放在常量存储区，而指针 str 本身作为一个局部变量是存放在栈区的，它保存着字符串常量在常量存储区的地址。
代码区：程序指令的存储地
代码区主要存放的是程序经过编译后生成的可执行代码，也就是那些 CPU 可以直接执行的机器指令，这些指令在程序运行期间被一条条地执行，从而实现程序的各种功能。
代码区通常是只读的，这样做的目的是为了防止程序在运行过程中意外地修改自己的指令，以此确保程序的稳定性和安全性。另外，在多进程环境下，代码区还有共享性这个优点，不同的进程可以共享代码区的内存，因为相同的程序代码可以被多个进程执行，这无疑节省了大量的内存空间，提高了整个系统的资源利用率。比如，系统中有多个进程都需要运行同一个程序，那它们就可以共用代码区的这一份代码，而不需要每个进程都单独存储一份相同的代码内容。
1.2明确区分堆与栈
在bbs上，堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。
首先，我们举一个例子：
void f() { int* p=new int[5]; }
这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中，他在VC6下的汇编代码如下：
00401028 push 14h
0040102A call operator new (00401060)
0040102F add esp,4
00401032 mov dword ptr [ebp-8],eax
00401035 mov eax,dword ptr [ebp-8]
00401038 mov dword ptr [ebp-4],eax
这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete []p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，VC6就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。
1.3堆和栈究竟有什么区别？
好了，我们回到我们的主题：堆和栈究竟有什么区别？
主要的区别由以下几点：
管理方式不同；
空间大小不同；
能否产生碎片不同；
生长方向不同；
分配方式不同；
分配效率不同；
管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，例如，在VC6下面，默认的栈空间大小是1M（好像是，记不清楚了）。当然，我们可以修改：
打开工程，依次操作菜单如下：Project->Setting->Link，在Category 中选中Output，然后在Reserve中设定堆栈的最大值和commit。
注意：reserve最小值为4Byte；commit是保留在虚拟内存的页文件里面，它设置的较大会使栈开辟较大的值，可能增加内存的开销和启动时间。
碎片问题：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，他们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上面的后进的栈内容已经被弹出，详细的可以参考数据结构，这里我们就不再一一讨论了。
生长方向：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。
分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。
从这里我们可以看到，堆和栈相比，由于大量new/delete的使用，容易造成大量的内存碎片；由于没有专门的系统支持，效率很低；由于可能引发用户态和核心态的切换，内存的申请，代价变得更加昂贵。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也利用栈去完成，函数调用过程中的参数，返回地址，EBP和局部变量都采用栈的方式存放。所以，我们推荐大家尽量用栈，而不是用堆。
虽然栈有如此众多的好处，但是由于和堆相比不是那么灵活，有时候分配大量的内存空间，还是用堆好一些。
无论是堆还是栈，都要防止越界现象的发生（除非你是故意使其越界），因为越界的结果要么是程序崩溃，要么是摧毁程序的堆、栈结构，产生以想不到的结果,就算是在你的程序运行过程中，没有发生上面的问题，你还是要小心，说不定什么时候就崩掉，那时候debug可是相当困难的：）
1.4控制C++的内存分配
在嵌入式系统中使用C++的一个常见问题是内存分配，即对new 和 delete 操作符的失控。
具有讽刺意味的是，问题的根源却是C++对内存的管理非常的容易而且安全。具体地说，当一个对象被消除时，它的析构函数能够安全的释放所分配的内存。
这当然是个好事情，但是这种使用的简单性使得程序员们过度使用new 和 delete，而不注意在嵌入式C++环境中的因果关系。并且，在嵌入式系统中，由于内存的限制，频繁的动态分配不定大小的内存会引起很大的问题以及堆破碎的风险。
作为忠告，保守的使用内存分配是嵌入式环境中的第一原则。
但当你必须要使用new 和delete时，你不得不控制C++中的内存分配。你需要用一个全局的new 和delete来代替系统的内存分配符，并且一个类一个类的重载new 和delete。
一个防止堆破碎的通用方法是从不同固定大小的内存持中分配不同类型的对象。对每个类重载new 和delete就提供了这样的控制。
重载全局的new和delete操作符
可以很容易地重载new和delete操作符，如下所示:
void * operator new(size_t size)
{
void *p = malloc(size);
return (p);
}
void operator delete(void *p);
{
free(p);
}
这段代码可以代替默认的操作符来满足内存分配的请求。出于解释C++的目的，我们也可以直接调用malloc() 和free()。也可以对单个类的new 和 delete 操作符重载。这是你能灵活的控制对象的内存分配。
class TestClass {
public:
void * operator new(size_t size);
void operator delete(void *p);
// .. other members here ...
};
void *TestClass::operator new(size_t size)
{
void *p = malloc(size); // Replace this with alternative allocator
return (p);
}
void TestClass::operator delete(void *p)
{
free(p); // Replace this with alternative de-allocator
}
所有TestClass对象的内存分配都采用这段代码。更进一步，任何从TestClass继承的类也都采用这一方式，除非它自己也重载了new和delete操作符。通过重载new和delete操作符的方法，你可以自由地采用不同的分配策略，从不同的内存池中分配不同的类对象。
为单个的类重载 new[ ]和delete[ ]
必须小心对象数组的分配。你可能希望调用到被你重载过的new 和 delete 操作符，但并不如此。内存的请求被定向到全局的new[ ]和delete[ ] 操作符，而这些内存来自于系统堆。
C++将对象数组的内存分配作为一个单独的操作，而不同于单个对象的内存分配。为了改变这种方式，你同样需要重载new[ ] 和 delete[ ]操作符。
class TestClass {
public:
void * operator new[ ](size_t size);
void operator delete[ ](void *p);
// .. other members here ..
};
void *TestClass::operator new[ ](size_t size)
{
void *p = malloc(size);
return (p);
}
void TestClass::operator delete[ ](void *p)
{
free(p);
}
int main(void)
{
TestClass *p = new TestClass[10];
// ... etc ...
delete[ ] p;
}
但是注意：对于多数C++的实现，new[]操作符中的个数参数是数组的大小加上额外的存储对象数目的一些字节。在你的内存分配机制重要考虑的这一点。你应该尽量避免分配对象数组，从而使你的内存分配策略简单。
1.5常见的内存错误及其对策
发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误，通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状，时隐时现，增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来，程序却没有发生任何问题，你一走，错误又发作了。常见的内存错误及其对策如下：
内存分配未成功，却使用了它。编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数，那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行检查。如果是用malloc或new来申请内存，应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。
内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它：
犯这种错误主要有两个起因：一是没有初始化的观念；二是误以为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误（例如数组）。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准，尽管有些时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界：例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中，循环次数很容易搞错，导致数组操作越界。
忘记了释放内存，造成内存泄露：含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足，你看不到错误。终有一次程序突然死掉，系统出现提示：内存耗尽。动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。
释放了内存却继续使用它有三种情况：
（1）程序中的对象调用关系过于复杂，实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存，此时应该重新设计数据结构，从根本上解决对象管理的混乱局面。
（2）函数的return语句写错了，注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”，因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
（3）使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。
【规则1】用malloc或new申请内存之后，应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
【规则3】避免数组或指针的下标越界，特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
【规则4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。
【规则5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。
二、内存的使用规则
在使用malloc()或new申请空间时,要检查有没有分配空间成功,判断方法是判断指针是否为NULL,如申请一块很大的内存而没有这么大的内存则分配内存会失败
申请成功后最好是将该内存清空,使用memset()后ZeroMemory()清空,不然存在垃圾而造成有时候输出很大乱码
不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。(这句话不太理解)
要防止数组或指针内存越界,
申请内存成功后,使用结束后要释放,系统不会自动释放手动分配的内存
内存释放后,指针还是指向那块地址,不过这指针已经是”野指针”了,所以释放内存后指针要指向NULL,不然很危险,容易出错,if()对野指针的判断不起作用
在设计代码时候，就要连同逻辑一起，将内存的释放和分配设计好。而不是发生问题之后再去 Debug。
RAII 原则，也就是“资源获取就是初始化”，是 C++ 的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。其实本文介绍的就是这种思想的指导下的方法，包括现在流行的智能指针，也是这种思想的具体实现。
搞清楚对象的所有权，一个对象属于谁，就要由谁去负责管理。时刻遵循谁分配谁释放，谁污染谁治理，谁渣男谁接盘的准则。不仅代码如此，生活也要如此哦。这其实也是 RAII 的原则。
不要瞎 new / malloc。坚决控制 new 的次数。在性能不吃紧的情况下，宁可将内存拷贝一份，也不要随意传递指针，这是是很多 Java 程序员初写 C++ 的时候常犯的错误。
2.1一个正常的 C++ 模块应该是怎样的
我们用一个常见的矩阵运算类来尝试说明一下，一个设计得比较干净的模块应该是怎样管理内存的。
矩阵，是我们常用到的一个数学工具，尤其在写一些 3d 项目的时候，一个 4x4 的矩阵可以让我们很方便得描述一些三维变换。事实上一个 4x4 的矩阵是由 16 个浮点数表示的，我们就写一个 Mat4x4，来看看c++应该如何管理内存。
class Mat4x4
{
public:
float * mat = NULL;
int matLen = 0;
public:
Mat4x4();
~Mat4x4();
}
// 实现
Mat4x4::Mat4x4()
{
// 此处为了演示，使用 malloc ，其实完全可以分配到栈内存上
matLen = 16 * sizeof(float);
mat = (float *)malloc(matLen);
memset(mat, 0, matLen);
}
Mat4x4::~Mat4x4()
{
if(mat != NULL){
free(mat);
mat = NULL;
}
matLen = 0;
}
由上述代码可以知道，我们在类的构造方法里malloc出来一个长度为16*4长度的内存空间，用来存放矩阵中用到的16个浮点数。而在析构函数中，我们将这段内存释放掉。这就符合我们的准则，谁分配谁释放。我们来看一下我们应该如何使用这个类。
通常我们有两种实例化这个类的方式：
Mat4x4 a;
Mat4x4 * pA = new Mat4x4();
// 用完记得 delete
delete pA;
但是，我们在使用过程中，尤其是局部使用这个变量的时候，应该尽量避免使用new的方式。首先，使用 new 的方式，会带来额外的性能开销，最重要的是，使用 new 的方式，你需要额外考虑何时将这个类释放，一个两个还好，如果有多个的话，会让你的代码看起来非常臃肿奇怪，而且如果有忘记释放的，就会造成内存泄露。很多从前写 Java 的童鞋在初写 C++ 的时候，本着万物皆可 new 的原则，往往在很多不需要 new 的地方去 new ，这让其代码看起来非常奇怪且容易出问题。
2.2赋值与拷贝
试想另外一种场景。
Mat4x4 a;
// 给a赋值，此处省略一万字
Mat4x4 b;
// 此处的 b ，我们想让 b 的内部的 16 个浮点数和 a 里的完全一样，应该怎么做
我们声明了一个 Mat4x4 a，并给它内部的 16 个浮点数赋值。接下来我们想要一个 Mat4x4 b，与 a 内部的值完全相同，我们应该怎么做。正常来说，我们要重载 Mat4x4 的赋值运算符。
class Mat4x4
{
public:
float * mat = NULL;
int matLen = 0;
public:
Mat4x4();
~Mat4x4();
Mat4x4 & operator = (Mat4x4 & _mat);
}
// 实现
Mat4x4::Mat4x4()
{
// 此处为了演示，使用 malloc ，其实完全可以分配到栈内存上
matLen = 16 * sizeof(float);
mat = (float *)malloc(matLen);
memset(mat, 0, matLen);
}
Mat4x4::~Mat4x4()
{
if(mat != NULL){
free(mat);
mat = NULL;
}
matLen = 0;
}
// 重载等号运算符，将内存拷贝过来
Mat4x4 & Mat4x4::operator = (Mat4x4 & _mat)
{
memcpy(mat, _mat.mat, matLen);
return *this;
}
复写等号运算符之后，我们就可以直接使用赋值运算符了。
Mat4x4 a;
Mat4x4 b;
b = a;
注意，这里的 a 和 b 其实是两块完全不同的内存，我们通过重载其赋值运算符，将 a 的内容拷贝给了 b。
我们可以比较一下上面这种写法和下面这种写法的区别：
Mat4x4 * a = new Mat4x4();
Mat4x4 * b = new Mat4x4();
b = a;
可见，第一种写法调用了重载的赋值运算符，第二种写法，其实是根本没有调用 Mat4x4 赋值函数，调用的其实是 Mat4x4 * （这里是指针）的赋值，这种情况下，b 其实是指向了 a。而不是把 a 的内容复制一份。这种情况下，a 和 b 其实指向的是同一片内存，修改 a 的内容其实就是在修改 b 的内容，而 b 原先的内存，就成了永远无法被修改和释放的内存垃圾。这种情况是非常危险的，也是非常容易出问题的一种写法，除非你很清楚自己在干什么，否则要坚决避免这种写法。
其实在内存管理上，多个指针指向同一片内存就是一种非常危险的行为。在某些性能相关的场景下，我们有时不得不这样做，这是没有办法的事情。但是在性能不敏感的地方，坚决不要发生这样的事情。
2.3函数传值
还是以我们的 Mat4x4 为例子，假设一个场景，我们有一个函数，需要一个 Mat4x4 的变量作为参数，我们应该怎么做。正常来说，我们会传一个引用进去。
int SetMat(Mat4x4 & mat);
如上，在函数内部，我们可以按照一般对象的方式来使用这个形参。但是注意，如果你使用引用传参，那么如果你在函数内部修改他的值的话，是会连同函数外部的变量一起修改的，因为引用其实就是外部的变量（其实就是指针，引用其实就是指针的语法糖）。
那么有办法不修改吗？
int SetMat(Mat4x4 mat);
这样写就可以了，但是和传一个引用有什么区别呢？实际上，第二种方法在传值的时候是会调用 Mat4x4 的拷贝构造方法的，也就说，第二种方法实际上是将 mat 复制了一份传给了函数，也就是说，这中间会发生一次拷贝，而引用就不会。
2.4从函数中返回一个值
我们期望一个函数返回一个对象的时候，我们也许会这样做
Mat4x4 GetMat()
{
Mat4x4 mat;
return mat;
}
这样做是没有问题的，我们在一些场景下也会使用，但是其在返回的时候，事实上会调用 Mat4x4 的拷贝构造方法，也就是说这里的mat也会被复制一次。
那么有没有办法不进行复制呢？有人想到了引用和指针。
Mat4x4 & GetMat()
{
Mat4x4 mat;
return mat;
}
Mat4x4 * GetMat()
{
Mat4x4 mat;
return &mat;
}
但是这种方法是错误的，由于函数内的mat对象是在栈上了，这个函数结束后就会被自动释放。返回后拿到的引用或者指针，指向的内存实际上已经被释放，再次访问一定会出问题。
有人说既然栈上不行，那么分配到堆上是不是就可以了。
Mat4x4 * GetMat()
{
Mat4x4 * mat = new Mat4x4();
return mat;
}
确实，这样做是完全可以的，但是又涉及到一个设计的问题。我们设计程序的时候，往往遵循谁分配，谁释放的原则，如果写成这样，我们就等于是在函数内分配，函数外释放，显然会对我们的调用者产生如何管理这片内存的疑惑。所以，我们往往这样设计。
int ChangeMat(Mat4x4 & mat)
{
// ......
return 0;
}
我们可以看到，内存由外部分配，通过引用和指针，将其传到函数中，函数负责填充这片由外部分配的内存。而其返回值往往是一个整型，用来表示函数的执行结果，通常返回0表示执行成功，返回负数代表错误。
如果我们非要函数内为我们分配内存呢，也是可以的，我们可以这样设计。
Mat4x4 * CreateMat(Mat4x4 * mat)
{
if(mat == NULL){
mat = new Mat4x4();
}
// 操作 mat
return mat;
}
// 调用
Mat4x4 * mat = NULL; // 由函数内部分配
mat = CreateMat(mat);
delete mat;
Mat4x4 * mat = new Mat4x4(); // 由调用者分配
mat = CreateMat(mat);
delete mat;
这样设计的好处是，我们可以将是否由函数内部分配内存的决定权交给函数调用者，如果函数调用者传入的是一个 NULL，那么内存就由函数内部分配。这样写增加了灵活性。
2.5函数返回二进制数据
在一些场景中我们有时会想让一个函数为我们返回一些数据量比较大的二进制数据，例如，我们通过一个函数去获取摄像头的帧数据，这种情况下，外部调用者其实并不知道已经将从函数中获取到内容的大小，不知道大小自然也就无法分配内存，这种时候，我们往往这样设计。
int GetFrame(unsigned char * data)
{
// 实现
}
// 调用
int frameLen = 0;
frameLen = GetFrame(NULL);
if(frameLen > 0){
unsigned char * frame = (unsigned char *)malloc(frameLen);
int ret = GetFrame(frame);
free(frame);
}
函数可以被多次调用，根据参数的不同，函数做的事情其实也不相同。当参数为NULL的时候，实际上是外部调用者在询问函数，此时有没有数据可以被获取。当有数据的时候，函数会返回可以被拷贝出去的数据的大小，当没有数据的时候，函数返回0或者负数。调用者拿到返回值后，可以根据返回值分配相应的内存大小，之后再次调用，就可以把之前查询到内容拷贝出来。
三、指针和数组
3.1指针与数组的对比
C++/C程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的。数组要么在静态存储区被创建（如全局数组），要么在栈上被创建。
数组名对应着（而不是指向）一块内存，其地址与容量在生命期内保持不变，只有数组的内容可以改变。指针可以随时指向任意类型的内存块，它的特征是“可变”，所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活，但也更危险。下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
⑴数组里的数据可以单个修改,但指针的不行,如我的例子,char str[] = “hello”,数组的大小有6个字符(注意\0),可以通过str[0] = ‘X’修改了的个字符,而指针char *p = “Word”,p是指向了一串常量的字符串,常量字符串是不可修改的,如 p[0] = ‘X’,编译器编译时不会保存,但执行时会出错：
⑵内容的复制与比较内容的复制要使用strcpy()函数,不要使用赋值符”=“,内容的比较也是不要使用比较符号”<,>,==“,使用strcmp()函数：
// 数组…
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
// 指针…
int len = strlen(a);
char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)
⑶计算空间的大小对数组的计算是使用sizeof()函数,该函数会按照内存对齐的方式4的倍数计算,而指针的空间大小没法计算,只能记住在申请空间时的空间大小，注意当数组作为函数的参数进行传递时，该数组自动退化为同类型的指针,不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)
void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
}
3.2指针参数是如何传递内存的？
如果函数的参数是一个指针，不要指望用该指针去申请动态内存。如下示例中，Test函数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存，str依旧是NULL，为什么？
void GetMemory(char *p, int num)
{
p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str, 100); // str 仍然为 NULL
strcpy(str, "hello"); // 运行错误
}
毛病出在函数GetMemory中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本，指针参数p的副本是 _p，编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p的内容，就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中，_p申请了新的内存，只是把_p所指的内存地址改变了，但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上，每执行一次GetMemory就会泄露一块内存，因为没有用free释放内存。
如果非得要用指针参数去申请内存，那么应该改用“指向指针的指针”，见示例：
void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory2(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
strcpy(str, "hello");
cout<< str << endl;
free(str);
}
由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解，我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见示例：
char *GetMemory3(int num)
{
char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
return p;
}
void Test3(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory3(100);
strcpy(str, "hello");
cout<< str << endl;
free(str);
}
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用，但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针，因为该内存在函数结束时自动消亡，见示例：
char *GetString(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; // 编译器将提出警告
}
void Test4(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString(); // str 的内容是垃圾
cout<< str << endl;
}
用调试器逐步跟踪Test4，发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针，但是str的内容不是“hello world”而是垃圾。
如果把上述示例改写成如下示例，会怎么样？
char *GetString2(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString2();
cout<< str << endl;
}
函数Test5运行虽然不会出错，但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。
3.3 杜绝“野指针”
“野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。“野指针”的成因主要有两种：
⑴指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。例如
char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);
⑵指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。
⑶指针操作超越了变量的作用域范围。这种情况让人防不胜防，示例程序如下：
class A
{
public:
void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
};
void Test(void)
{
A *p;
{
A a;
p = &a; // 注意 a 的生命期
}
p->Func(); // p是“野指针”
}
函数Test在执行语句p->Func()时，对象a已经消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指针”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错，这可能与编译器有关。
四、内存管理方式
4.1C语言动态内存管理方式
malloc/calloc/realloc和free
malloc：只申请空间，空间内容为随机值，不初始化；
calloc：申请空间，空间全部初始化为0。
realloc：重新申请空间，不初始化；
void test()
{
//malloc只申请空间，空间内容为随机值，不初始化
char* ptr1 = (char*)malloc(sizeof(char));
//调整空间大小
char* ptr2 = (char*)realloc(ptr1, 2 * sizeof(char));
//申请新的空间，功能和malloc相同，不初始化
char* ptr3 = (char*)realloc(NULL, sizeof(char));
//ptr1的空间不能显式释放（会导致二次释放）
//只能显式释放realloc返回之后的空间，传入realloc中的指针空间不能显式释放
free(ptr2);
free(ptr3);
//申请空间+空间全部初始化为0
char* ptr4 = (char*)calloc(4, sizeof(char));
}
free(ptr4);
4.2C++内存管理方式
C++内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。
new/delete操作内置类型
申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符；
申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]。
void test()
{
//申请和释放的方式保持一致
int* mptr = (int*)malloc(sizeof(int));
free(mptr);
//类型指针 指针变量 = new 类型
//类型指针 指针变量 = new 类型（初始值）
//类型指针 指针变量 = new 类型（元素个数）
int* ptr = new int;
delete ptr;
//申请空间＋初始化 初始值为10-->4字节
int* ptr2 = new int(10);
delete ptr2;
//连续空间 包含10个元素-->内容为随机值
int* arr = new int(10);
//释放连续空间
delete[] arr;
}
new/delete操作自定义类型
在申请在定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。
class A
{
public:
A()
{
cout << "A()" << endl;
}
A(int a)
:_a(a)
{}
A(int a,int b,int c)
:_a(a)
{}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a = 10;
};
void test()
{
A* mpa = (A*)malloc(sizeof(A));
free(mpa);
cout << "------" << endl;
//自定义类型：new：申请空间+调用构造函数进行空间内容的初始化
//类型指针 指针变量 = new 类型 -->调用默认构造函数（无参、全缺省）
A* pa1 = new A;
//类型指针 指针变量 = new 类型（参数列表）-->调用带参构造
A* pa2 = new A(10);
A* pa3 = new A(1, 2, 3);
//自定义类型：delete：调用析构完成资源清理+空间释放
delete pa1;
delete pa2;
delete pa3;
//自定义类型：连续空间
//不能使用带参的构造函数进行多个对象的空间申请和初始化
//new[]：申请空间+调用N次构造函数，需要有默认构造
A* arrA = new A[3];
//delete[]: 调用N次析构+空间释放
delete[] arrA;
}
operator new与operator delete函数
不是运算符重载函数，是系统提供的全局函数；
new在底层调用operator new全局函数来申请空间；operator new是通过malloc来申请空间的。
delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间；（封装free，不会抛异常）；operator delete是通过free来释放空间的。
内置类型
void test()
{
//内置类型
//new: operator new --> malloc
int* ptr = new int;
//delete: operator delete --> free
delete ptr;
//new[]: operator new[] --> operator new --> malloc
int* ptr2 = new int[];
//delete[]: operator delete[] --> operator delete -->free
delete[] ptr2;
}
自定义类型
class A
{
public:
A(int a=10)
:_a(a)
{}
private:
int _a;
};
void test()
{
//自定义类型
//new：operator new --> malloc -->构造
A* pa = new A;
//delete：析构--> operator delete --> free
delete pa;
//new[]: operator new[] --> operator new --> malloc --> N次构造
A* pa2 = new A[10];
//delete[]: N次析构 --> operator delete[] --> operator delete -->free
delete[] pa2;
}
4.3new和delete的实现原理
内置类型
new和malloc，delete和free基本相似；
不同点是new / delete申请/释放的是单个元素的空间，new[] / delete[]申请/释放的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常。
自定义类型
new的原理
1.调用operator new函数申请空间；
2.在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。
delete的原理
1.在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作；
2.调用operator delete函数释放对象的空间。
new T[N] 的原理
1.调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请；
2.在申请空间上执行N次构造函数。
delete[]的原理
1.在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理；
2.调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]调用operator delete来释放空间。
4.4malloc()/free()与new/delete的区别
malloc与free是C++/C语言的标准库函数，new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理,看代码：
class Obj
{
public :
Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void)
{
Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
a->Initialize(); // 初始化
//…
a->Destroy(); // 清除工作
free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
//…
delete a; // 清除并且释放内存
}
类Obj的函数Initialize模拟了构造函数的功能，函数Destroy模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree中，由于malloc/free不能执行构造函数与析构函数，必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete则简单得多。
所以我们不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程，对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。
既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？这是因为C++程序经常要调用C函数，而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
如果用free释放“new创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”，理论上讲程序不会出错，但是该程序的可读性很差。所以new/delete必须配对使用，malloc/free也一样。
五、内存泄漏
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
内存泄漏分类
堆内存泄漏（Heap leak）：若分配的内存没有被释放，以后这部分空间就不能再被使用，就会产生Heap leak。
系统资源泄漏：指程序使用系统分配的资源，没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。
5.1内存耗尽怎么办？
如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块，malloc和new将返回NULL指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。
①判断指针是否为NULL， 如果是则马上用return语句终止本函数。例如：
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{
return;
}
…
}
②判断指针是否为NULL， 如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如：
void Func(void)
{
A *a = new A;
if(a == NULL)
{
cout << “Memory Exhausted” << endl;
exit(1);
}
…
}
③为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander函数为new设置用户自己定义的异常处理函数，也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。
上述①②方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存，那么方式①就显得力不从心（释放内存很麻烦），应该用方式②来处理。
很多人不忍心用exit(1)，问：“不编写出错处理程序，让操作系统自己解决行不行？”
不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情，一般说来应用程序已经无药可救。如果不用exit(1) 把坏程序杀死，它可能会害死操作系统。道理如同：如果不把歹徒击毙，歹徒在老死之前会犯下更多的罪。
有一个很重要的现象要告诉大家。对于32位以上的应用程序而言，无论怎样使用malloc与new，几乎不可能导致“内存耗尽”。我在Windows 98下用Visual C++编写了测试程序，见示例7。这个程序会无休止地运行下去，根本不会终止。因为32位操作系统支持“虚存”，内存用完了，自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响，Window 98已经累得对键盘、鼠标毫无反应。
我可以得出这么一个结论：对于32位以上的应用程序，“内存耗尽”错误处理程序毫无用处。这下可把Unix和Windows程序员们乐坏了：反正错误处理程序不起作用，我就不写了，省了很多麻烦。
我不想误导读者，必须强调：不加错误处理将导致程序的质量很差，千万不可因小失大。
void main(void)
{
float *p = NULL;
while(TRUE)
{
p = new float[1000000];
cout << “eat memory” << endl;
if(p==NULL)
exit(1);
}
}
5.2malloc/free的使用要点
函数malloc的原型如下：
void * malloc(size_t size);
用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存，程序如下：
int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转换”和“sizeof”。
\* malloc返回值的类型是void *，所以在调用malloc时要显式地进行类型转换，将void * 转换成所需要的指针类型。
\* malloc函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int, float等数据类型的变量的确切字节数。例如int变量在16位系统下是2个字节，在32位下是4个字节；而float变量在16位系统下是4个字节，在32位下也是4个字节。最好用以下程序作一次测试：
cout << sizeof(char) << endl;
cout << sizeof(int) << endl;
cout << sizeof(unsigned int) << endl;
cout << sizeof(long) << endl;
cout << sizeof(unsigned long) << endl;
cout << sizeof(float) << endl;
cout << sizeof(double) << endl;
cout << sizeof(void *) << endl;
在malloc的“()”中使用sizeof运算符是良好的风格，但要当心有时我们会昏了头，写出 p = malloc(sizeof(p))这样的程序来。函数free的原型如下：
void free( void * memblock );
为什么free函数不象malloc函数那样复杂呢？这是因为指针p的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句free(p)能正确地释放内存。如果p是NULL指针，那么free对p无论操作多少次都不会出问题。如果p不是NULL指针，那么free对p连续操作两次就会导致程序运行错误。
5.3new/delete的使用要点
运算符new使用起来要比函数malloc简单得多，例如：
int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];
这是因为new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言，new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数，那么new的语句也可以有多种形式。例如
class Obj
{
public :
Obj(void); // 无参数的构造函数
Obj(int x); // 带一个参数的构造函数
…
}
void Test(void)
{
Obj *a = new Obj;
Obj *b = new Obj(1); // 初值为1
…
delete a;
delete b;
}
如果用new创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如：
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象
不能写成：
Obj *objects = new Obj[100](1);//创建100个动态对象的同时赋初值1
在用delete释放对象数组时，留意不要丢了符号‘[]’。例如：
delete []objects; // 正确的用法
delete objects; // 错误的用法
后者有可能引起程序崩溃和内存泄漏。