【C++】C/C++内存管理
目录
一、C/C++内存管理
二、C语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free
三、C++中动态内存管理
1、new/delete操作内置类型
2、new和delete操作自定义类型
四、operator new与operator delete函数(重点)
五、new和delete的实现原理
1、内置类型
2、自定义类型
六、定位new表达式(placement-new)(了解)
七、常见面试题
1、malloc/free和new/delete的区别
2、内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
2.2 如何避免内存泄漏
一、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";
const 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);
}
【说明】
- 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。
二、C语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free
- malloc
传入的参数是想要申请空间的大小(单位是字节)，返回值是 void* 。开辟的空间不进行初始化。
- calloc
传入的两个参数，是想要申请 num 个所需空间为 size 字节的大小。申请的空间被初始化为0。
- realloc
对 ptr 所指向的空间进行调整，但一般用来扩容使用，若第一个参数是空指针，那么它的作用等同于malloc函数。
注意：这个函数在扩容的时候会有两种情况：原地扩容，异地扩容
- 原地扩容：若当前空间后面有大量空间可供扩容使用，那么就会原地扩容。
- 异地扩容：若当前空间后面没有足够空间供扩容使用，那么系统会重新找一块足够大的空间，将原空间的数据拷贝到新空间，并且将原空间释放。
这个函数是针对在堆区申请的空间进行释放，否则会有内存泄漏的风险。
具体使用方法如下：
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);
}malloc/calloc/realloc的区别？
- malloc和calloc是从堆区上申请空间，realloc是对已经申请过的原空间的大小进行调整。
- realloc第一个参数为NULL时，相当于malloc。
- malloc申请空间不初始化，calloc申请空间并初始化。
- realloc在扩容时存在原地扩容和异地扩容的问题。
三、C++中动态内存管理
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。
1、new/delete操作内置类型
//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;
//动态申请十个int类型的空间
int* p3 = new int[10];
delete[] p3;
//动态申请十个int类型的空间并都初始化为0
int* p4 = new int[10]{ 0 };
delete[] p4;
//将十个int类型空间初始化为这10个数字
int* p5 = new int[10]{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
delete[] p5;
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[]。
2、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));
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;
}
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。在使用内置类型对象时可以进行初始化，在使用自定义类型对象的连续空间时则不可进行初始化，它只能使用无参的或全缺省参数的构造函数。
四、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。
/*
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 new 是全局函数，是对 malloc 的封装，申请失败就不会在返回空指针，而是抛异常。
/*
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;
}operator delete 也是全局函数，是对 free 的封装。
五、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
六、定位new表达式(placement-new)(了解)
关于定位 new 的使用场景是将一块已申请好但未初始化的空间进行初始化或者说就是调用构造函数完成一个对象的初始化。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
if (p1 == nulptr)
{
perror("malloc fail");
}
//定位new
//new(p1)A;
new(p1)A(1);//若构造函数有参数，就得传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}对于这种定位 new 的使用场景我们会感到疑惑，为什么要先开辟一块未初始化的空间，然后再使用该方法完成初始化？为什么不直接 new 和 delete 一块使用在开辟空间时就完成对象的初始化呢？
答：定位 new 的使用场景并不在此，而是为了提升性能，当你频繁申请空间时就不在堆上申请了，而是在一个名叫内存池的地方申请，而内存池的空间都是未初始化的，所以就得使用定位 new 完成初始化，这样做就避免了频繁向堆申请空间，直接从内存池上拿空间。内存池上的空间其实还是来自于堆上。
七、常见面试题
1、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。
不同点是：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符；
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化；
- 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；
- 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；
- 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；
- 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。
2、内存泄漏
2.1 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。
void MemoryLeaks()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
}2.2 如何避免内存泄漏
- 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。ps： 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。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 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。
- 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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