C&C++内存管理

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c内存分布

我们先了解以下c语言中的内存分布：

• 栈区：非静态成员、局部变量、临时变量、函数参数、返回值
• 堆区：动态申请（malloc,realloc……）的空间
• 静态区（数据段）：全局变量，静态成员
• 常量区（代码段）：可读常量

对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方式是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

题目

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";//char2在栈区开辟数组，char2在栈区,"abcd"在常量区，只是将数据拷贝到数组当中去而已
 const char* pChar3 = "abcd";//pChar3是一个指针，虽然指向"abcd"，但还在栈区上
 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);
}
1. 选择题：
   选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
   globalVar在哪里？__c__   staticGlobalVar在哪里？__c__
   staticVar在哪里？__c__   localVar在哪里？__a__
   num1 在哪里？__a__
   
   char2在哪里？_a___   *char2在哪里？_a__
   pChar3在哪里？__a__      *pChar3在哪里？_d___
   ptr1在哪里？__a__        *ptr1在哪里？_b___
2. 填空题：
   sizeof(num1) = _40___; 
    sizeof(char2) = __5__;      strlen(char2) = __4__;
   sizeof(pChar3) = _4or8___;     strlen(pChar3) = _4___;
   sizeof(ptr1) = _4or8___;
3. sizeof 和 strlen 区别？

内存小知识

• 堆大小受限于操作系统，而栈空间一般有系统直接分配

• 频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题

• 堆无法静态分配，只能动态分配

• 栈可以通过函数_alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放

• 类模板中的成员函数全是模板函数

c++内存管理方式

new/delete 操作内置类型

new和delete是C++中用于动态分配和释放内存的运算符。

new运算符用于在堆上动态分配内存，并返回指向分配内存的指针。它的语法如下：

指针类型指针变量 = new 数据类型;

例如，下面的代码动态分配了一个整数的内存，并将其地址赋给指针变量：

int* ptr = new int;

delete运算符用于释放通过new运算符分配的内存。它的语法如下：

delete 指针变量;

例如，下面的代码释放了之前动态分配的整数内存：

delete ptr;

需要注意的是，使用new分配的内存必须使用delete释放，否则会导致内存泄漏。另外，使用delete释放内存后，指针变量将成为悬空指针，应该将其设置为nullptr以避免悬空指针的问题。
new/delete 操作内置类型

void Test()
{
  // 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;
   int* ptr7 = new int[3]{1，2，3};//初始化， 如果什么都不给，初始化为0
}

对于内置类型，不给初始值，编译器初始化是随机值

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
 A(int a = 0)
 : _a(a)
 {
 cout << "A():" << this << endl;
 }
 ~A()
 {
 cout << "~A():" << this << endl;
 }
private:
 int _a;
};
int main()
{
 // new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间
还会调用构造函数和析构函数
 A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
 A* p2 = new A(1);
 free(p1);
 delete p2;
 // 内置类型是几乎是一样的
 int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
 int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
 A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
 A* p6 = new A[10];
 free(p5);
 delete[] p6;
 return 0;
}

operator new和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在底层通过
operator delete全局函数来释放空间。

/*
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)

operator new和operator delete是C++中与new和delete关键字密切相关的运算符。

在C++中，new和delete是用于动态分配和释放单个对象的关键字。它们在内部使用operator new和operator delete来执行实际的内存分配和释放操作。

当我们使用new关键字来创建一个对象时，它会首先调用operator new来分配足够的内存空间，然后调用对象的构造函数来初始化对象。

类似地，当我们使用delete关键字来释放一个对象时，它会首先调用对象的析构函数，然后调用operator delete来释放对象占用的内存空间。

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。

因此，可以说operator new和operator delete是new和delete关键字的底层实现，它们一起完成了动态内存的分配和释放操作。

new 和delete 的实现原理

这里我们得分两种情况：
内置类型
对于内置类型，new和delete的实现原理和malloc和free无差别。

自定义类型

• new的原理

1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

• delete的原理

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

• new T[N]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

• delete[]的原理

1. 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
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete(实际上最后也是用free来释放空间)来释
   放空间

匹配问题

内置类型释放空间

int* p1 = new int[10];
free(p1);法一
delete p1；法二
delete[] p1;法三

上述三种释放方法都没问题，对于内置类型，最后释放空间的本质就是通过free释放空间。
而上述中法一肯定没问题，剩下的delete和delete[]也都是在底层调用operator delete,也是通过free释放空间。
不会造成内存泄漏。

自定义类型释放空间

#include 
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{

	}
private:
	int _a;
};

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		_a = new int[10];
		_size = _capacity = 0;
	}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_size = _capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack* s1 = new Stack;
	free(s1); //会出现内存泄漏
	delete s1;//不会出现内存泄漏
	A* a = new A[10];
	free(a);//不会出现内存泄漏
	delete[] a;//不会出现内存泄漏
	delete a;//可能会出现内存泄漏

	return 0;
}

为什么Stack和A同样都是自定义类型，为啥free(s1)会出现内存泄漏，而free(a)不会出现内存泄漏？

我们都知道，free和delete最大的区别就是对自定义类型是否会调用析构函数。
也就是说是否调用析构函数是这里最大的问题。
但是这里更重要的一点是，该自定义类型是否需要调用析构函数！，我们前面学析构函数知道，对于申请资源的对象，我们才需要显现析构函数对其进行释放空间。
而这里，Stack上有资源申请，所以它需要delete去调用析构函数，而A上无资源申请，所以它根本不需要调用析构函数，用free或者delete都一样。
✍所以这里我们可以总结

自定义类型释放空间是否需要匹配使用delete,取决于该自定义类型内部是否有申请堆区上的资源。

这里我们再来个案例，给A写一个析构函数。

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

	}
	~A()
	{
	   cout<<"~A()"<<endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* a = new A[10];
	free(a);//不会出现内存泄漏
	delete[] a;//不会出现内存泄漏
	delete a;//会出现内存泄漏

	return 0;
}

为什么delete a会出现内存泄漏呢？
这里其实跟A类的开辟空间有关系，实际上，这里new A[10]除了开辟10个类对象的40字节，因为是自定义类型，我们需要知道到底要调用几次构造和析构函数，所以还会再开辟4个字节存放数据10。

如果A没有写析构函数，有些编译器上delete a不会出错，因为某些编译器会进行优化，如果你不写析构函数，也就是说你没有打算调用析构函数，所以就不会另外给你开出那额外的4字节空间，故而就不会有内存泄漏了。
但最后的最后。还是建议要匹配使用，用对应的释放语法去释放空间就不会出现内存泄漏的错误可能！

析构函数可以手动调用，构造函数不能，只会自动调用

malloc/free和new/delete的区别

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，
   如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
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

定位new表达式

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

语法格式
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。

class A
{
public:
 A(int a = 0)
 : _a(a)
 {
 cout << "A():" << this << endl;
 }
 ~A()
 {
 cout << "~A():" << this << endl;
 }
private:
 int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
 // p1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* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
 new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
 p1->~A();
 free(p1);
 A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));//只是申请了空间，但是没有初始化
 new(p2)A(10);
 p2->~A();
 operator delete(p2);
  return 0;
}

内存泄漏

什么是内存泄漏？

概念
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

内存泄漏分类

• 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

如何检测内存泄漏？

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该
函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{
 int* p = new int[10];
 // 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
 _CrtDumpMemoryLeaks();
 return 0;
}

// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

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