【C++】C/C++内存管理

    众所周知，C/C++没有内存（垃圾）回收机制，所以写C/C++程序常常会面临内存泄漏等问题。这一节我们一起来学习C/C++的内存管理机制，深入了解这套机制有利于我们之后写出更好的C/C++程序。

                                                在那些看不到太阳的日子里，别忘了你也在发光呀！！！

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

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一、C/C++内存分布

1.1C/C++中程序内存区域划分。

1.2经典代码分析
       我们利用上面的图片内存区域划分，来判断我们创建的各种变量存在的位置。

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); }
}

globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
char2在哪里？____ *char2在哪里？___
pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段

       我们来试着分析一下上面的代码
int globalVar = 1; :
静态的全局的变量都是放在静态区，静态区数据的特点：生命周期都是全局的。
int localVar = 1;
在函数内部定义的变量不加static都是局部变量，是在栈上的。
int num1[10] = {1, 2, 3, 4};
num1是数组，数组是在栈上的。
char char2是一个字符数组
指针变量拷到这个数组里的，也是放在栈上的。
char pChar3 = “abcd”;
pChar3是一个局部的指针变量，也是存在栈上的，这里的*可以看成是解引用。
char* pChar3 = “abcd”;
char* pChar3是指针，指向常量字符串，解引用后就在常量区里了。
ptr1是指针变量，指针变量都是在栈帧里面的
*ptr1是malloc出来的， 所以是在堆上。

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说明：

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语言中内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和free
    代码示例:

void Test ()
{
	 int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
	 free(p1);
	 int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
	 int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
	 free(p3 );
}

三个函数的简单介绍：（来源：百度百科）
1、malloc函数
介绍：malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址，当无法知道内存具体位置的时候，想要绑定真正的内存空间，就需要用到动态的分配内存，且分配的大小就是程序要求的大小。
放回值：返回的指针指向该分配域的开头位置，否则返回空指针NULL。

2、calloc函数
语法：指针名=（数据类型*）realloc（要改变内存大小的指针名，新的大小）。
新的大小可大可小（如果新的大小大于原内存大小，则新分配部分不会被初始化；如果新的大小小于原内存大小，可能会导致数据丢失 [1-2]
返回值：如果重新分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL。

3、realloc函数
语法：指针名 = （数据类型*）realloc（要改变内存大小的指针名，新的大小）。
新的大小可大可小（如果新的大小大于原内存大小，则新分配部分不会被初始化；如果新的大小小于原内存大小，可能会导致数据丢失 [1-2] ）
返回值：如果重新分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL。

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三、 C++中动态内存管理

3.1 概念
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。

3.2 new/delete操作内置类型
  代码示例：

int main()
{
       int* p1 = new int;//一个对象
       int* p2 = new int[10];//多个对象，new了10个int
       int* p3 = new int(10);//new了一个对象，初始化成10
       int* p4 = new int[10]{ 10 };//可以通过花括号初始化
       return 0;
}

我们可以通过监视来查看p1，p2等的实际情况

  其中p2是new了10个对象，但是都是随机值，p4是第一个值是10，之后的值是0。new这个关键字初始化空间可以像数组一样初始化。
  
3.3new和delete操作自定义类型
我们来看下面这段代码：

class Stack
{
public:
       Stack(int capacity = 10)
       {
              _a = new int[capacity];
              _capacity = capacity;
              _top = 0;
       }
       // 拷贝构造
       // operator=
       ~Stack()
       {
              delete[] _a;
              _capacity = 0;
              _top = 0;
       }
       void Push(int x)
       {
       }
       int top()
       {
              // ...
       }
private:
       int* _a;
       int _top;
       int _capacity;
};
//void StackInit(Stack* ps);
//void StackDestory(Stack* ps);
//
int main()
{
       //Stack st;
       Stack* ps1 = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
       free(ps1);
       Stack* ps2 = new Stack;
//     free(ps2);
       delete ps2;
       return 0;
}

我们添加监视看看

可以看出new的Stack是有初始化的
而malloc的Stack是没有初始化的而且_a等是私有的，以后想初始化会比较困难。
所以：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。

3.4mallo和new的相同点和不同点
1、对应内置类型而言，用malloc和new，没有什么区别。
他们的区别在于自定义类型,malloc只开空间，new可以开空间+调用构造函数初始化。
2、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、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、返回值：malloc失败，返回空指针。new失败，抛异常。
其实从底层的角度,new封装了malloc，加上抛异常机制。
5、new T[N]的原理和delete[]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。
3. 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。
4. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

四、operator new 与operator delete 函数

4.1概念

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。

4.2operator new 和 operator delete的底层逻辑。

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。
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的。

operator new 不是运算符重载

4.3operator new 和 operator delete的类的专属重载（比如内存池）
  为什么要有内存池？
因为大量从堆上申请空间最经典的就是数据结构了。后人发明了池化技术，类似是内存池这样的东西，离new LIstNode N更近，速度更快

比如说下面的代码就是为链表提供一个专属的内存池

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

	ListNode(int data = 0)//构造函数
		:_next(nullptr)
		,_prev(nullptr)
		,_data(data)
	{
		cout << "ListNode(int data = 0)" << endl;//打印出来
	}
	//专属的operator new
	void* operator new(size_t n)
	{
		void* p = nullptr;
		p = allocator().allocate(1);
		cout << "memory pool allocate" << endl;
		return p;
	}
	void operator delete(void* p)
	{
		allocator().
		((ListNode*)p, 1);
		cout << "memory pool deallocate" << endl;
	}
};

五、 浅析定位new表达式(placement-new)

6.1概念
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示调构造函数进行初始化。

5.2经典代码分析

class MyTest
{
public:
	MyTest()
		: _data(0)
	{
		cout << "MyTest():" << this << endl;
	}
	~MyTest()
	{
		cout << "~MyTest():" << 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
	MyTest* pt = (MyTest*)malloc(sizeof(MyTest));

	new(pt) MyTest; // 注意：如果MyTest类的构造函数有参数时，此处需要传参
	delete pt;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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六、内存泄漏

6.1概念
什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？

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。

6.2内存泄漏的分类
第一种：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。

第二种：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。

6.3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。注意：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。

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总结和思维导图

  思维导图

  总结

  本文总共写了7000字，从C/C++内存分布、C语言中内存管理方式、等6个方面，去系统地带大家一起探索C/C++内存管理方式，也了解到了内存泄漏的危害以及如何防止内存泄漏，希望大家读后能够有所收获！