c/c++内存管理详解

c/c++内存分布

首先我们来看一看以下代码中变量在内存中的存储位置。

c/c++内存分配图：

1.栈又叫做堆栈，存储非静态局部变量/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内存，做进程间通信。
3.堆用于程序运行时动态内存分配，堆上可以向上增长的。
4.数据段 - 用于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。

C语言中的动态内存管理

malloc/calloc/realloc/free

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);
	free(p3);
	return 0;
}

⁉️malloc/calloc/realloc的区别？
malloc - 堆上动态开辟空间
realloc - 堆上动态开辟空间 + 初始化为0 （相当于malloc + memset）
calloc - 针对已经有的空间进行扩容 （原地扩容或异地扩容）

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c++的内存管理

C语言的内存管理方式在c++中可以继续使用，但是有些地方使用起来就比较麻烦了。因此c++提供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。 new和delete是运算符，不是函数，因此执行效率高。

new和delete操作内置类型：:

int main()
{
	// new/delete和malloc/free 针对内置类型没有任何差别，只是用法不同

	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	delete p1;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p2 = new int(10);
	delete p2;

	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[10];
	delete[] p3;
	return 0;
}

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[]。

new和delete操作自定义类型：:

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和free不会。

对于以上总结一下：
1.c++中如果是申请内置类型对象或者数组，malloc和new没有什么区别。
2.如果是自定义类型，那么区别很大，new和delete是开空间 + 初始化，析构清理 + 释放空间，malloc和free仅仅是开空间 + 释放空间。
3.建议在c++中，无论是自定义类型还是内置类型的申请和释放，尽量使用new和delete。

operator new与operator 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在底层提供operator delete全局函数来释放空间。

如下是c++官方对于这两个函数的描述：

operator new和operator delete的实现代码：

/*
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)

通过上诉两个全局函数的实现代码可以看出，operator new实际上是通过malloc来申请空间的，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的应对,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。

operator new的使用案例：

struct ListNode
{
	ListNode(int data = 0)
		:_next(nullptr)
		,_prev(nullptr)
		,_data(data)
	{}

	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _data;
};
//operator new的用法跟malloc和free是一样的，都是在堆上申请空间
//只是申请空间失败后的处理方式不一样，malloc失败返回NULL,operator new失败以后抛异常
int main()
{
	//C语言
	ListNode* p1 = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	free(p1);

	//c++
	ListNode* p2 = (ListNode*)operator new(sizeof(ListNode));
	operator delete(p2);

	int* p3 = (int*)malloc(100000000000000000);
	if (p3 == NULL)
	{
		cout << "malloc fail" << endl;
	}

	try
	{
		int* p4 = (int*)operator new(100000000000000000);
	}
	//开辟空间失败，捕获异常信息
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

operator delete的使用案例：

class A
{
public:
	A(int a = 0)
	{
		cout << "A()" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//c语言  ->  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(2);  定位new，placement-new,显示调用构造函数初始化这块空间对象

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

operator new与operator delete的类专属重载

内存池：内存池的主要作用是提高效率。通过一次性申请比较大的空间，来避免小空间内存的频繁申请和释放，每次需要为对象分配内存空间时，在已经申请好的大的空间内分配。空闲区被按照对象大小划分为若干块，每个块之间通过链表连接起来。

☑️以下代码演示了，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
{
	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* _next;
	ListNode* _prev;
	int _data;
};
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 h;
	return 0;
}

new和delete的实现原理

内置类型：

若申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本相似。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。new在空间申请失败时会抛异常，malloc申请空间失败则返回NULL。

自定义类型：
new:
1️⃣ 调用operator new函数申请空间。
2️⃣ 在申请的空间调用构造函数，完成对象的构造。

delete:
1️⃣ 在空间上调用析构函数，完成对象中资源清理的工作。
2️⃣ 调用operator delete函数释放对象的空间。

new arr[N]:
1️⃣ 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。
2️⃣ 在申请的空间上执行N次构造函数。

delete []:
1️⃣ 在释放的空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理。
2️⃣ 调用operator delete[]释放空间，在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

定位new表达式(placement - new)

一般来说，使用new申请空间时，是从系统堆上分配空间。申请所得的空间位置是根据当时的内存使用的实际情况来决定。但在某些特殊情况下，可能需要在已分配的特定内存创建对象，这就是所说的定位new(placement - new)。

✔️默认情况下，如果new不能分配所需要的内存空间，那么它会抛出一个类型为bad_alloc的异常。我们可以改变使用new的方式来阻止其抛出异常：

//如果申请失败，new会返回一个空指针（NULL）
int* p1 = new int;            //如果分配空间失败，new会抛出std::bad_alloc
int* p2 = new (nothrow) int;  //如果分配空间失败，new返回一个空指针

这种形式的new我们就称为定位new。

定位new表达式允许我们向new传递额外的参数。如上的nothrow。将nothrow传给new，即不能抛出异常。如果这种形式的new不能分配所需内存，那么它会返回一个空指针。

malloc/free和new/delete的区别

1.相同点：它们都是堆上申请空间并且手动释放。
2.malloc和free是函数，new和delete是操作符。
3.malloc申请的空间不初始化，new申请的空间可以初始化。
4.malloc申请空间时需要计算所需空间的大小并且传递，new申请空间时只需在其后加上空间类型即可。
5.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。
6.malloc申请空间失败时返回NULL,使用时需要判空，而new不需要判空，但是new需要捕获异常。
7.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处理空间，但new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前后调用析构函数完成空间中资源的清理。

内存泄漏及其危害

内存泄漏(Memory Leak) 是指程序中已动态分配的堆内存由于某种原因导致程序未释放或者无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。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，因为错误设计，失去了对该段内存的控制。

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。

常见的导致内存泄漏的原因：

c/c++程序中我们比较关心的两种内存泄漏：
1️⃣ 堆内存泄漏(Heap Leak)
堆内存指程序执行中需要通过malloc、realloc、realloc、new等从堆中分配内存，用完后需通过调用free或者delete释放。若程序的设计错误导致这一部分内存没有被释放掉，那么之后这块空间将无法继续使用，就会发生堆内存泄漏。

2️⃣ 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、管道等没有使用对于的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重则可导致系统的效能减少，系统执行不稳等。

如何避免内存泄漏：
1.工程前期设计规范，养成良好的编码习惯。
2.提前预防。如智能指针等。
3.内存泄漏工具的使用。（很多工具不靠谱，且收费昂贵）

内存泄漏检测工具：（来自百度百科）