Фундаментальные вопросы по работе C++ с памятью

#cpp #память

У меня есть некоторые трудности в понимании работы C++ с памятью. Надеюсь их разрешить.


  Представим, существует некоторая программа, написанная на языке C++, и ее
  только запустили на компьютере (x86_64).




Насколько мне известно, при запуске программе выделяются две структуры памяти - стек
и куча. В стеке хранится информация о передаваемых значениях функций, адреса и, может,
еще чего. В куче же некоторые ресурсы программы и другие данные: пользовательские строки,
переменные - в общем, данные, появившиеся во время работы программы.


Термин "пул" - что он означает? Он как-то связан с кучей? Если да, то как?
Когда ОС передает кучу программе - она заполнена нулями?


Если так - почему при выводе строки, не имеющей \0, могут появляться лишние символы?
Здесь об этом более подробно
И почему в таком случае переменная, при ее создании, содержит произвольные данные
из памяти?

Оператор new может запрашивать дополнительную память у ОС даже том случае, если куча
имеет свободное пространство?
Возможно ли при такой операции array = new char[7]; выделение более семи байт? Округление
для выравнивания?
Аллокатор - механизм для выделения памяти в куче?

    

Ответы

Ответ 1

Насколько мне известно, при запуске программе выделяются две структуры памяти - стек
и куча.


Ну, вообще-то при запуске программы выделяются три структуры памяти: куча, стек и
статические данные. Но это уже вопрос выбранного уровня абстракции. 

На уровне языка С++, например, не констатируется существования никакого "стека".
Также, с точки зрения языка, не оговаривается в какой памяти живут временные объекты.
Формально это может быть четвертым типом памяти.

На уровне аппаратуры регистры процессора являются отдельным типом памяти.


  В куче же некоторые ресурсы программы и другие данные: пользовательские строки,
переменные - в общем, данные, появившиеся во время работы программы.


В куче традиционно находятся только безымянные объекты, созданные через средства
распределения динамической памяти.


  Термин "пул" - что он означает? Он как-то связан с кучей? Если да, то как?


"Пул" - слишком расплывчатый термин. Да, обычно это отдельное хранилище, ответственное
за динамическое распределение ресурсов, каким-то образом связанных между собой. Характер
этой связи может быть любым. Это могут быть тесно связанные объекты одного типа, объекты
одного размера и т.п. А могут быть совершенно никак внешне не похожие друг на друга
ресурсы, но распределяемые одним потоком выполнения. Иногда пул организовывают лишь
потому, что всю выделенную в нем память можно потом легко освободить "одним махом"
вместе с самим пулом, вместо того, чтобы скурпулезно освобождать маленькие блоки по одному.

В общем, если у вас есть такая-то причина распределять память для какого-то набора
объектов в некотором отдельном условно-обособленном хранилище - то вы организовываете
для них пул. 


  Когда ОС передает кучу программе - она заполнена нулями?


Никто не знает, когда и как ОС передает кучу программе. Это определяется реализацией.
Современные ОС строятся на механизме виртуальной памяти. Там ничего ничем не заполнено,
потому что заполнять заранее просто нечего - физически памяти изначально не существует,
она "материализуется на лету" по мере обращения программы к ней. А уж чем она при этом
будет заполняться - это уж как попросите.


  Если так - почему при выводе строки, не имеющей \0 могут появляться лишние символы?


Потому что, во-первых, даже память полученная от ОС не обязательно "материализуется"
в заполненном нулями состоянии. Во-вторых, с чего вы вообще взяли, что эта память только
что получена "от ОС"? Эта память могла уже давно находиться в распоряжении вашей программы,
быть использована для тысяч разных применений и хранить оставшийся в ней мусор. ОС
тут вообще ни при чем.


  Оператор new может запрашивать дополнительную память у ОС даже том случае, если
куча имеет свободное пространство?


Во-первых, может. Например, если вы через new запросили "большой" блок памяти. 

Во-вторых, почему вы вообще отделяете "кучу" от "ОС"? На некоторых платформах поддержка
языковой "кучи" уже давно перекочевала из библиотеки времени выполнения в API операционной
системы.


  Возможно ли при такой операции array = new char[7]; выделение более семи байт?
Округление для выравнивания?


Какой именно размер имеется в виду? Тот, который доступен пользователю, или тот,
который запрашивается в куче? Каждый выделенный блок памяти обычно содержит в себе
еще и служебную информацию, поэтому практически гарантированно, что будет выделено
больше 7 байт. Даже вне соображений выравнивания.


  Аллокатор - механизм для выделения памяти в куче?


Что имеется в виду под словом "аллокатор"??? Английское слово? std::allocator? Аллокатор
мелких блоков от Васи из третьего подъезда? Что-то еще?


Ответ 2

Вы путаете распределение памяти в C/C++ программе и соглашение по выделению памяти
операционной системой при запуске программы.

При запуске программе, каким-то образом выделяется память, возможно, что это будет
просто кусок памяти который необходимо распределить и под кучу и под стек и под статические
данные.

Прослойкой между ОС и программой на конкретном языке является стартовый код, зачастую
написанный на ассемблере, он то как раз запускает функцию main() в C.