C/C++—内存管理new&delete—详解

1.C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

1. 选择题：
   选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
   globalVar在哪里？C______________staticGlobalVar在哪里？C
   staticVar在哪里？C_______________localVar在哪里？A
   num1 在哪里？A_________________char2在哪里？A
   *char2在哪里？D_________________pChar3在哪里？A
   *pChar3在哪里?D________________ptr1在哪里？A
   *ptr1在哪里？B
2. 填空题：
   sizeof(num1) = 40;
   sizeof(char2) = 5;__________strlen(char2) = 4;
   sizeof(pChar3) = 4;_________strlen(pChar3) = 4;
   sizeof(ptr1) = 4;
   
   【说明】

• 栈又叫堆栈，非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
• 内存映射段是高效的IO映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享内存，做进程间通信
• 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的
• 数据段——存储静态数据和全局数据
• 代码段——可执行的代码/只读常量

2. C语言中动态内存管理方式

2.1malloc/calloc/realloc和free

void Test ()
{
     
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
    free(p1);
 
    // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
 
    // 这里需要free(p2)吗？
    free(p3 );
}

【面试题】malloc/calloc/realloc的区别？
答：
malloc

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
• 如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

calloc

• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。

realloc

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，
• 我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间。
• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
  情况1：原有空间之后有足够大的空间，在原有位置上进行开辟空间。
  情况2：原有空间之后没有足够大的空间，将现有的数据拷贝到另一块足够的空间后，在开辟新空间，然后返回内存新的起始位置。

3. C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理

3.1new/delete操作内置类型

void Test()
{
     
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete []ptr6;//数组释放
}

【注意】：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[]

3.2 new和delete操作自定义类型

class Test
{
     
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
     
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
     
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};

void Test2()
{
     
	//申请单个Test类型的空间
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);

	//申请10个Test类型的空间
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10);
	free(p2);
}
void Test2()
{
     
	//申请单个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;

	//申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[]p2;
}

【注意】：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

4. operator new与operator delete函数

4.1operator new与oparetor delete函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new和operator delete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，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

class Test
{
     
public:
	Test(int d=0): _data(d)
	{
     
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
     
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
public:
	void* operator new(size_t sz)
	{
     
		void *ptr = malloc(sz);
		return ptr;
	}
	void operator delete(void *ptr)
	{
     
		free(ptr);
	}
	void* operator new[](size_t sz)
	{
     
		void *ptr = malloc(sz);
		return ptr;
	}
	void operator delete[](void *ptr)
	{
     
		free(ptr);
	}
private:
	int _data;
};


void main()
{
     
	Test *pt = new Test[10];
	delete []pt;
}

通过上述，我们可以知道operator new实际是通过malloc来申请空间，oparetor delete最终是通过free来释放空间的。

4.1 operator new与operator delete的类专属重载

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。

struct ListNode
{
     
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;
    void* operator new(size_t n)
    {
     
       void* p = nullptr;
       p = allocator<ListNode>().allocate(1);
       cout << "memory pool allocate" << endl;
       return p;
    }
    void operator delete(void* p)
    {
     
       allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
       cout << "memory pool deallocate" << endl;
    }
};
class List
{
     
 public:
     List()
     {
     
        _head = new ListNode;
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
     }
     ~List()
     {
     
         ListNode* cur = _head->_next;
         while (cur != _head)
         {
     
             ListNode* next = cur->_next;
             delete cur;
             cur = next;
         }
         delete _head;
         _head = nullptr;
     }
private:
     ListNode* _head;
};
int main()
{
     
     List l;
     return 0; 
}

5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请失败时会抛出异常，malloc会返回NULL。

5.2自定义类型

• new的原理

1. 调用opreator new函数申请空间
2. 在申请空间上执行构造函数，完成对象的初始化构造

• 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. 在申请的空间上执行N次构造函数

• delete []的原理

1. 在释放的空间上执行N次析构函数，完成N个对象中的资源的清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在opterator delete[]中调用operator delete来释放空间

6. 定位new表达式（placement-new）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。

使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type (initializer-list)
place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
使用场景：
定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显式调构造函数进行初始化。

class Test
{
     
public:
     Test()
        : _data(0)
     {
     
         cout<<"Test():"<<this<<endl;
     }
     ~Test()
     {
     
         cout<<"~Test():"<<this<<endl;
     }
 
private:
    int _data;
};
void Test()
{
     
    // pt现在指向的只不过是与Test对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
    Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));
 
    new(pt) Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
}

在进行举例说明：
int arr[10]={0};
new(arr) int(10);这里表达的意思就是arr[[0]=10;
new(arr,3) int(10);//arr[3]=10

• 函数形式：
  void* operator new (size_t sz,int *ar,int pos)
  {
  return &arr[pos];
  }

7.常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地方是：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请空间不会初始化，new可以初始化
3. malloc事情空间时，需要手动计算大小并传递，new只需要在其后跟上空间的类型即可
4. malloc的返回值void*,在使用时必须强转，new不需要，因为类后面是空间的类型
5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理

7.2 内存泄漏

7.2.1什么是内存泄漏，内存泄漏危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
 {
     
     // 1.内存申请了忘记释放
     int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
     int* p2 = new int;
 
     // 2.异常安全问题
     int* p3 = new int[10];
 
     Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
 
     delete[] p3;
 }

7.2.2 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

• 堆内存泄漏(Heap leak)
  堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
• 系统资源泄漏
  指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

7.2.3 如何检测内存泄漏

• 在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
• 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
• 其他工具：内存泄漏工具比较

7.2.4 如何避免内存泄漏

1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。
   总结一下:
   内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。