这篇笔记写一些关于 C++ 数值类型和内存管理的知识点。
变量类型
可能会 cover 到的变量类型如上所示。在本文中，字节（byte）指的是 8 位的内存单元，即 1 byte = 8 bits.
简单变量
分类
整数型变量：char (1 byte), short (2 bytes), int (4 bytes), long (4 bytes), long long (8 bytes)。
浮点数变量：float (4 bytes)，double (8 bytes), long double (12 or 16 bytes)。
特别地，布尔类型（bool）的值只有 true 和 false。C++ 会将 0 解释为 false，将非零值都解释成 true。
C++11 提供了固定宽度的整数类型，int16_t, int32_t, int64_t。它们的长度就分别是 16 bits, 32 bits 和 64 bits（即2/4/8字节）。
计数
整数型变量的计数方式：
如果整数型变量是带符号的（signed），那么第 0 位永远表示正负（1 负 0 正），除第 0 位以外的数字用以表示二进制数值大小。
如果整数型变量是不带符号的（unsigned），那么所有位数都是用来表示大小的。
float (32 bits) 的计数方式：
第 0 位 / 符号位（1 bit）：表示正负。1 负 0 正。
第 1-8 位 / 指数位（8 bits）：表示数值范围。
后面的所有位数 / 尾数位（23 bits）：表示数值精度。
例如： Present -15.5 in binary bits.
1. Sign: Negative, so the first bit is 1.
2. Absolute value: 15.5 = 15(int) + 0.5(decimal)
3. Binary transform: 15 = (1111)_2, 0.5 = 1/2 = 2^(-1) = (0.1)_2
4. Offset: 15.5 = (1111.1)_2 = 1.1111 * 2^3, offset = 3+127 = 130 = (10000010)_2
5. Mantissa: 1.1111 → .1111 → (fill to 23 bits) (11110000000000000000000)_2
Now combine all the binary parts, -15.5 = (1 10000010 11110000000000000000000)_2
Double (64 bits) 的计数方式：
与 floats 的计算步骤是相同的。
符号位 1 位，指数位 11 位，尾数位 52 位。
类型转换
C++ 允许将一种类型的值赋给另一种类型的变量。
一般来说，将一个值赋给值取值范围更大的类型通常不会导致什么问题（例如将 int 转换为 long）。但是，如果将一个很大的 long 值转换成 float，就会降低精度，因为 float 只有六位有效数字。
将一个取值范围更大的值转换成更小的值（且确实超过了其取值范围时），通常只复制右边的字节。
内存
内存（Memory）就是计算机的存储空间，用于存储程序的指令、数据和状态。计算机系统的主存被组织成一个由 M 个连续的字节（byte）大小的单元组成的数组，每个字节都有唯一的一个物理地址。
计算机的存储空间是由一系列连续的存储单元组成，每个单元格表示一个 bit，一个 bit 只有 0/1 两种状态。规定 8 个 bit 为一组组成 byte，也就是字节。字节是内存寻址的最小单元，计算机能保证每一个字节的编号唯一，因此能够使用内存地址访问到正确的字节。
内存地址空间
所有的可访问的内存编号的范围决定了计算机可寻址的内存范围，它们的编号集合就被称为内存地址空间（memory address space），内存的地址空间与大家平常所说的系统是 32 位还是 64 位有关。32 位系统意味着可寻址的内存范围是 2^32 byte = 4GB，换言之如果电脑是32位的，则装超过 4GB 的内存条也无法使用。
变量的本质
在 C/C++ 中，定义一个变量的语法很简单。
当我们写一个变量的时候，实际上是向内存申请了一部分的空间来存放这些变量。例如，int 类型占 4 个字节，我就需要在计算机中申请 4 个字节。在计算机中，数字使用补码的形式来表示，999 换算成补码是 0000 0011 1110 0111 —— 这里每 4 个bit 就会被存储在一个字节中。
放在字节中有两个顺序，要么是 0000 0011 1110 0111， 或者反过来。如果把高位字节放在内存低地址，这种方法叫做大端法（big endian），反之则叫做小端法（little endian）。大端法符合人类的阅读习惯顺序。这个顺序也叫做字节序。
判断系统字节序可以通过 C++ 代码来输出运行。例如，
我们能这么写是因为整数 num 的数值被初始化为1 （0x0000 0001），然后将其指针类型从 int* 转换为 char*，我们就可以访问该整数的第一个字节。如果系统是小端字序，那么第一个字节就是 1，否则就是 0。通过判断第一个字节的值，就可以得知系统的字节序。
一般，PC 和 Mac 使用的都是小端字节序，网络传输（尤其是TCP/IP）使用的是大端字节序。Linux 视情况而定。
内存分区
一般来说，程序运行时，代码、数据等都存放在不同的内存区域，这些内存区域从逻辑上做了划分，大概以下几个区域：代码区、全局/静态存储区、栈区、堆区和常量区。
代码区
也就是 .text 段，代码区存放程序的二进制代码，它是只读的，以防止程序在运行中被意外修改。这个区域中也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。
全局 / 静态存储区
存储全局变量和静态变量。这个区域的内存在程序的生命周期几乎都是全局的，例如：
其中，globalVar是一个全局变量，staticVar 是一个静态变量，它们都存放在全局/静态存储区。
static 关键字
特别地，我们对 static 关键字做一些单独的说明。
在函数内部：例如上图中在 void function() 中的 static int —— 在函数内部声明的 static 变量会在整个程序生命周期内保持其值。即使函数结束后，静态变量的值也不会丢失，再次调用时该变量仍会保留之前的值。在上面的那段程序中的，我们连续调用两次 function()，会分别输出 0 和 1，即使第二次调用的时候函数内的非 static 局部变量应该已经丢失了值。
在类中（修饰变量）：在类中声明的 static 成员变量是共享的，所有该类的对象都可以访问同一个变量。静态成员变量在类中声明，但必须在类外定义和初始化。根据这个性质，它适合被用来实现单例模式（singleton pattern），例如：
注意在该类中，变量 health 被标记为 static int，我们可以在 main() 函数中在没有生成 GameManager 实例的情况下就可以修改 / 使用 health。 在这里，声明单例的方法是通过在 getInstance() 中创建 static GameManager instance。由于该变量在函数中被标记为 static，再次调用本函数的时候就不会再创建该对象。
在类中（修饰方法）：static 成员函数可以在不实例化对象的情况下被调用。static 成员函数只能访问类的 static 变量，不能访问非静态成员。同样还是在上面的代码中的，我们注意到（非静态）函数 show() 与静态函数 showHealth() 之间的区别。
不过无论如何，static 变量是被存放在全局 / 动态存储区的，记住这个就可以了。
内存栈
内存栈区（Stack）用于存储函数调用时的局部变量、函数参数以及返回地址。
当函数调用完成后，分配给该函数的栈空间会被自动释放。例如，
显然，s 是一个局部变量，a 和 b 是函数参数，因此它们的数据都存放在栈区。当 function() 调用结束之后的，对应的栈区所占空间就会被回收。
内存堆
内存堆区（Heap）是用于动态内存分配的区域。在 C++ 中使用 new 关键字时（或者 C 中使用 malloc）分配的内存块处于堆区。我们需要手动释放这些内存，否则可能造成内存泄漏。例如，
常量区
字符串字面量和其他编译时常量是存在于常量区（Constant Storage）的，这个区域通常也是只读的。
内存管理
动态内存分配
在 C/C++ 程序运行时需要额外的虚拟内存时，我们就会使用动态内存分配器请求新的内存块。
动态内存分配器（Dynamic Memory Allocator）维护着一个进程的虚拟内存区域，这个区域就是我们上面说过的内存堆（heap）。分配器将堆视作一组不同大小的块的集合来维护，每个块就是一个连续的虚拟内存片（chunk），这个块要么是已经被分配的（allocated），要么是空闲的（free）。
已分配的块是应用程序正在使用的，空闲块则可以用来给应用程序使用。一个块不再使用时，为了之后的请求能有内存块可以使用，我们必须要释放（free）这个块。这种释放可以是：
显式的：例如 C 中的 free，C++ 中的 delete
隐式的：例如 Java, C# 中的垃圾收集器（Garbage Collector）。
当程序需要去使用一个块的时候，就要寻求动态内存分配器去分配一个块，这个分配的过程总是显式的，例如 C 中的 malloc， C++ 中的 new。
内存碎片
有的时候，内存中空闲块的总额虽然可能可以响应一个 malloc/new 的请求，但是却因为在物理上这些块被分成了多个小块且散布在堆上（或者被已分配块隔开），导致 new 无法申请到完整的一块足够大的内存块，这种情况就叫做内存碎片。
上述这种情况也被叫做外部碎片。有时也会出现内部碎片，即已分配块比其有效载荷大（因为分配器可能根据最小块分配要求给它分了一个比它大的块）。
空闲链表
空闲链表是分配器用来查找和使用空闲块的数据结构。我们实现这种数据结构的方法有很多。
隐式空闲链表
一个简单的块的结构可能是：
头：包括块的大小（前 29 位）以及分配情况（后 3 位，001表示已分配，000表示未分配）。
有效载荷：malloc/new 请求的有效载荷。
填充（可选）：可能是用来满足对其要求，可能是其他。
因为空闲块实际上通过头部的大小字段就可以隐含地连接（从堆起点开始遍历，然后找到分配位为 0 的块比较大小即可）。
优点是概念和实现上都很简单，缺点是真的很慢。
显式空闲链表
在显式的一个空闲块中，头之后的结构是一个 pred 和一个 succ 指针，分别指向前一个和后一个。分配块则与隐式相同。这样一来，分配的时间从块总数的线性时间变成了空闲块的线性时间。释放块的时间可以是 O(N) 也可以是 O(1)，取决于我们用 LIFO 结构存储链表，还是使用地址顺序来排序链表。
显式的优点在于优化首次适配时间，但是缺点在于更大的最小块（因为空闲块必须存储头部以及所有需要用到的指针），潜在地提高了碎片的可能性。
分离空闲链表
我们不再维护唯一的空闲链表——取而代之，我们将空闲块分成多个大小类，然后在那个大小类对应的空闲链表里面去寻找块。
C++ 中的 new / delete 与 C 中的 malloc / free 的区别
指针和引用
传递
参考资料：
C++ Primer Plus.
Commentaires