【C++】5.C/C++内存管理

1.C/C++内存管理

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);
}

• 选择题

A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段

1. globalVar
2. staticGlobalVar
3. staticVar
4. localVar
5. num1
6. char2
7. *char2
8. pChar3
9. *pChar3
10. ptr1
11. *ptr1

1:C 2:C 3:C 4:A 5:A 6:A 7:A 8:A 9:D 10:A 11:B

7:拿到数组首元素

• 填空题

1. sizeof(num1)
2. sizeof(char2)
3. strlen(char2)
4. sizeof(pChar3)
5. strlen(pChar3)
6. sizeof(ptr1)

1:40 2:5 3:4 4:4/8 5:4 6:4/8

• 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。
• 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。

全局变量和静态变量的区别?

全局变量:main函数之前就初始化 在哪都能用 作用域是全局的

静态变量:运行到那一行再初始化 它的作用域在Test函数之中 只能在Test函数中使用

全局不静态和全局静态:链接属性不一样

全局静态:只在当前文件可见

全局不静态:所有文件中可见

2.C语言中动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc和free

• malloc/calloc/realloc的区别？

malloc:只开辟空间

calloc:开辟空间+初始化

realloc:扩容

3.C++内存管理方式

通过new和delete操作符进行动态内存管理。

#include 
using namespace std;

int main()
{
    //1和3对应 2和4对应
    //C 函数
    int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
    free(p1);
    free(p2);

    //C++ 操作符
    //int* p3 = new int;//申请一个int4个字节空间
    int* p3 = new int(10);//并初始化成10
    int* p4 = new int[10];//申请10个int的40个字节空间
    delete p3;
    delete[] p4;
    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[]

既然有了malloc和free 那么为什么还需要new和delete呢?

#include 
using namespace std;

class A {
public:
    A()
    {
        _a = 0;
        cout << "A()" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    int* p1 = new int;
    int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));

    A* p3 = new A;//开辟空间+构造函数
    A* p4 = (A*)malloc(sizeof(A));//开辟空间
    
    delete p3;//析构函数+释放空间
    free(p4);//释放空间
    return 0;
}

• 对于上面内置类型 效果是一样的
• 对于**自定义类型 **效果就不一样了
• malloc只申请空间 new申请空间+构造函数初始化
• free只释放空间 delete析构函数+释放空间
• 结论:C++建议使用new/delete 什么类型都不会有问题

4.operator new和operator delete

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。

operator new和malloc用法一样 那为什么还要有operator new呢?

• malloc申请空间失败就退出程序
• operator new申请空间失败会抛异常(这是面向对象处理错误的方式)

那么看这三者malloc operator new和new

• operator new -> malloc + 抛异常
• new ->opertor new + 构造函数

new和malloc的不同之处

• 调用构造函数
• 失败抛异常

new和malloc的区别

• new会调用构造函数 **失败抛异常 **malloc失败了返回0(使用效果)
• malloc是一个函数 new是一个操作符(概念性质)
• malloc用法:参数传字节数 返回值是void*
• new后面跟申请对象的类型 返回值是类型的指针(使用方法)

delete和free的不同之处

• 调用析构函数清理

operator free和free区别

• 没有区别 因为释放空间失败直接终止进程

5.new和delete的实现原理

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

• new的原理

调用operator new函数申请空间

在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

• 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

• 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

• delete[]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

3°练习

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

6.定位new

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

#include 
using namespace std;

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        :_a(a)

    {
        cout << "A()" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p1 = new A;
    delete p1;
    //想模拟上面的行为
    //显示调用了A的构造函数和析构函数
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    //对已经存在的一块空间调用构造函数初始化 定位new/replacement new
    new(p2)A(10);
    //两个步骤合起来就是new的效果 变量私有 不能直接初始化 不能直接调用
    //先operator new开辟 再new(空间的指针)类名(参数)
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    //直接调用析构+operator delete
    return 0;
}

直接new<=>先operator new 再new(对象)类名(初始化值)

直接delete<=>先调用析构函数+operator delete

7.内存泄漏

1°概念和危害

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。

2°分类

• 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°如何避免内存泄漏

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

• 事前预防型。如智能指针等。
• 事后查错型。如泄漏检测工具。

4°如何一次在堆上申请4G的内存

win32下2G申请不出来 如何申请4G?

换成x64

#include 
using namespace std;

int main()
{
    size_t n = 2;
    try
    {
        void* p = new char[n * 1024 * 1024 * 1024];
        cout << "new:" << p << endl;
    }
    catch (exception& e)
    {
        cout << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

win32情况

内核空间就需要1g，所以不可能申请得到

x64

2^64*4 160多亿个G

【C++】5.C/C++内存管理 完