C/C++内存管理——C/C++内存管理方式、new和delete的实现原理和内存泄漏

一、C/C++内存分布

05-C语言进阶——动态内存管理这篇博客详细介绍了C语言的动态内存管理和内存泄漏的案例
Linux概念——进程地址空间这篇博客介绍了进程地址空间

而对于C/C++来说内存分布如下图所示：

C/C++中将地址空间划分为内核空间、栈、内存映射区、堆、数据段、代码段，其中以下几点需要注意：

1. 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。
2. 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。
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

二、C/C++态内存管理方式

2.1 C语言中动态内存管理方式（malloc/calloc/realloc和free）

05-C语言进阶——动态内存管理这篇博客详细介绍了C语言的动态内存管理，本文不再赘述

Q1：malloc/calloc/realloc的区别？

• malloc是向内存申请一块连续可用的空间；
• calloc不同于malloc的地方是把申请的每个空间初始化为0；
• realloc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。当情况1 的时候，要扩展内存就在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
• 情况2 ：原有空间之后没有足够多的空间。扩展方法：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。

2.2 C++内存管理方式

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

//2.2.1
void Test3()
{
	//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;
}

注意：

申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符且成对出现，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]且成对出现！

<2> new/delete操作自定义类型

假设由如下Date日期类

//2.2.2
class Date
{
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int yaer = 1900, int month = 1, int day = 1)"<<endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};

我们使用malloc、new申请空间，free和delete释放空间

void Test4()
{
	//申请单个Date类型的空间
	Date* d1 = (Date *)malloc(sizeof(Date));
	//申请10个Date类型的空间
	Date* d2 = (Date *)malloc(sizeof(Date) * 10);
	free(d1);
	free(d2);
	cout << "--------------" << endl;
	//申请单个Date类型的空间
	Date* d3 = new Date;
	//申请10个Date类型的空间
	Date* d4 = new Date[10];
	delete d3;
	delete[] d4;
}

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。
• 使用new可以定义new Date和new Date(),但是对于Date类型定义变量，可以Date d1但不可以Date d1()，因为会被系统认定为函数声明

2.3 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。
  
  
  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.

三、new和delete的实现原理

3.1 内置类型

如果申请的内置类型的空间，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[]/delete[]申请和释放的是连续空间；
• new在申请失败时会抛异常，而malloc申请失败时会返回NULL;

3.2 自定义类型

<1> new/new[]和delete/delete[]的原理

四、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：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可
4. 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
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

五、内存泄漏

5.1 什么是内存泄漏，内存泄露的危害？

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

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。

5.2 内存泄漏的分类

堆内存泄露（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

系统资源泄露：

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

5.3 如何避免内存泄漏

事前预防——智能指针
事后查错——泄露检测工具