【C++从青铜到王者】第五篇:C/C++内存管理

系列文章目录

---

---

前言

---

一、C/C++内存分布

代码如下
我们先来看下面的一段代码和相关问题:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
#include
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
     
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = {
      1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	char* pChar3 = "abcd";
	
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof (int)* 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int)* 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
	
	std::cout << "sizeof(num1):" <<sizeof(num1) << std::endl;
	std::cout << "sizeof(char2):"<<sizeof(char2) << std::endl;
	std::cout << "strlen(char2):" << strlen(char2) << std::endl;
	std::cout << "sizeof(pChar3):" << sizeof(pChar3) << std::endl;
	std::cout << "strlen(pChar4):" << strlen(pChar3) << std::endl;
	std::cout << "sizeof(ptr1):" << sizeof(ptr1) << std::endl;
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

记住： sizeof是一个C语言中的一个单目运算符，而strlen是一个函数，用来计算字符串的长度。sizeof求的是数据类型所占空间的大小，而strlen是求字符串的长度,strlen(结束的标志是是否碰到\0)。

• 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I/O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共享内存，做进程间通信。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）。
• 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
• 数据段–存储全局数据和静态数据。
• 代码段–可执行的代码/只读常量。

解释栈为啥是向下生长，堆是向上生长。

• 栈向下生长是因为在栈区开辟的空间是先开辟的空间在高地址，后开辟的空间在低地址。

代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
int main()
{
     
	int a = 1;
	int b = 2;
	std::cout << &a << std::endl;
	std::cout << &b << std::endl;
	return 0;
}

• 堆向上生长是因为在堆区开辟空间先开辟的空间在低地址，后开辟的空间在高地址。

代码如下

	int* c = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* d = (int*)malloc(sizeof(int));
	std::cout << c << std::endl;
	std::cout << d << std::endl;

注意:在堆区后一个开辟的空间的地址不一定比前面先开辟空间的地址大，因为可能后开辟空间的地址是在前面释放的空间上开辟的地址。

二、C语言中动态内存管理方式

1.malloc/calloc/realloc和free

代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么
int main()
{
     
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = (int*)calloc(4,sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	free(p1);
	//free(p2); // 这里需要free(p2)吗？
	free(p3);
	return 0;
}

注意：如果此时你在p2的基础上扩容，则p2则不需要自己释放，否则会发生错误。

• 【面试题】
  malloc/calloc/realloc的区别？
  
  原地扩容：需要扩容的空间后面有充足的空间可以扩容，realloc函数直接在原来的空间后方进行扩容，成功则返回该内存空间首地址（即原来的首地址）。
  
  异地扩容：需要扩容的空间后方并没有足够的空间可供扩容，那么，realloc函数会在堆区中再找一块满足大小的内存空间然后将原来空间内的数据拷贝到新空间中，在主动将原空间内存释放（即还给操作系统），不需要自己手动free原有空间，否则会发生错误，最后返回新内存空间的首地址。
  
  扩容失败：此时堆空间中没有足够的空间来扩容，此时就是扩容失败，返回NULL。

三、C++中动态内存管理

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。

1.new/delete操作内置类型

代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
int main()
{
     
	int* p1 = new int;                        //C++动态的申请一个int类型的空间
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int*));     //C动态申请一个int类型的空间
	delete p1;
	free(p2);

	int* p3 = new int[10];                    //C++动态申请10个int类型的空间
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int*)* 10); //C动态申请1个int类型的空间
	delete[] p3;
	free(p4);

	int* p5 = new int(1);                      //C++动态申请1个int类型的空间并且初始化为1
	int* p6 = new int[3]{
     1, 2, 3};             //C++动态申请3个int类型的空间并且初始化
	delete p5;
	delete[] p6;
	return 0;
}

new/delete和malloc/free 针对内置类型没有任何差别，只是用法不一样。
代码如下

void Test()
{
     
    //new/delete和malloc/free 针对内置类型没有任何差别，只是用法不一样
	// 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[3];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

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[]。

2.new和delete操作自定义类型

代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
class Test
{
     
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
     
		std::cout << "Test():" << std::endl;
	}
	~Test()
	{
     
		std::cout << "~Test():" << std::endl;
	}
private:
	int _data;
};
void Test2()
{
     
	//申请一个Test类型的空间
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);
	//申请十个Test类型的空间
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10);
	free(p2);
}
void Test3()
{
     
	//申请一个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;

	//申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
}
int main()
{
     
	Test T;
	Test3();
	return 0;
}

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。

四、operator new与operator delete函数

1.operator new与operator delete函数（重点）

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。

• 实际上 operator new和operator delete的用法跟malloc和free是完全是一样的功能，都是在堆上申请释放空间,但是失败了处理方式不一样，malloc失败返回NULL，operator new失败以后抛异常。

代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
int main()
{
     
	//以下三种方式开辟空间和释放空间的效果是一样的
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));      //malloc和free
	free(p1);

	int* p2 = new int;                        //new和delete
	delete p2;

	int* p3 = (int*)operator new(sizeof(int));//operator new与operator delete
	operator delete (p3);
	return 0;
}

2.operator new失败抛异常机制

operator new失败了处理方式不一样，malloc失败返回NULL，operator new失败以后抛异常。
代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;
void f()
{
     
	// 他的用法跟malloc和free是完全一样的，功能都是在堆上申请释放空间
	// 失败了处理方式不一样，malloc失败返回NULL，operator new失败以后抛异常
	void* p3 = malloc(0x7fffffff);
	if (p3 == NULL)
	{
     
		cout << "malloc fail" << endl;
	}
	void* p4 = operator new(11);
	char* p5 = new char[0x7fffffff];
	cout << "继续" << endl;
}
int main()
{
     
	try
	{
     
		f();
	}
	catch (exception& e)
	{
     
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

operator new与operator delete底层源码

/*
operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，
尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
*/
void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
     
	// try to allocate size bytes
	void *p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)
	if (_callnewh(size) == 0)
	{
     
		// report no memory
		// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
		static const std::bad_alloc nomem;
		_RAISE(nomem);
	}
	return (p);
}
/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
void operator delete(void *pUserData)
{
     
	_CrtMemBlockHeader * pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */
	__TRY
		/* get a pointer to memory block header */
		pHead = pHdr(pUserData);
	/* verify block type */
	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

• 通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

3.operator new与operator delete的类专属重载（了解）

写了类专属重载就不用调用全局的operator new与Operator delete。

struct ListNode
{
     
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _val;

	 //类中重载专属operator new
	 
	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;

	}

	ListNode(int val)
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _val(val)
	{
     }
};

int main()
{
     
	ListNode* p = new ListNode(1);
	delete p;
	return 0;
}

没有写operator new与operator delete。

五、new和delete的实现原理

1.内置内型

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申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

2.自定义类型

1.new的原理

• 调用operator new函数申请空间
• 调用operator new函数申请空间

2.delete的原理

• 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作。
• 调用operator delete函数释放对象的空间。

3.new T[N]的原理

• 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。
• 在申请的空间上执行N次构造函数。

4.delete T[N]的原理

• 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。
• 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

六、定位new表达式(placement-new)（了解）

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示调构造函数进行初始化。
代码如下

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;
class A
{
     
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
     
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
     
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};
int main()
{
     
	// p现在指向的只不过是与A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

	// A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
	// 等价于直接用A* p = new A
	
	A* p = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p)A; // new(p)A(3);  // 定位new，placement-new，显示调用构造函数初始化这块对象空间

	// 等于 delete p
	p->~A(); // 析构函数可以显示调用
	operator delete(p);
	return 0;
}

七、常见面试题

1. malloc/free和new/delete的区别

• malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
• 不同的地方是：
• malloc和free是函数，new和delete是操作符。
• malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
• malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
• malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型。
• 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。
• 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，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。

2. 内存泄漏

1.内存泄漏概念与危害

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。

代码如下：

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;
}

2.内存泄漏分类（了解）

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。

3.如何检测内存泄漏（了解）

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

4.如何避免内存泄漏

• 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。
• 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
• 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。

5.如何一次在堆上申请4G的内存？

当我们想在win32平台上堆上想开辟4G的内存空间0xffffffff的时候会发生错误。
代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;
int main()
{
     
	//1byte == 8bit
	//	1KB = 1024byte
	//	1MB = 1024KB
	//	1GB = 1024MB
	//	1TB = 1024GB
	void* p1 = malloc(0xffffffff);
	cout << p1 << endl;
	return 0;
}

那如何在堆上开辟4G的空间呢？
因为32位的平台下，内存大小为4G，但是堆区差不多2G，所以不可能在32位的平台上一次在堆上开辟4G的内存。但是我们可以将编译器上的win32改为x64，在64位平台下，我们便可以一次性在堆上申请4G的内存了。

---

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了C、C++内存管理的使用，而new、delete提供了快速能使我们快速便捷创建对象，而且还能调用构造函数与析构函数，非常的便捷，所以我们务必掌握。到现在，内存管理已经完毕，接下就是STL的重头戏。另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。