C/C++内存管理

目录

前言

一、C/C++内存分布

二、C语言动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc/free

三、C++动态内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型        

3.2 new和delete操作自定义类型        

3.3 operator new与operator delete函数        

extra 不匹配地释放空间

3.4 malloc/free和new/delete的区别

extra 定位new表达式(placement-new)       

四、内存泄漏

4.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

4.2 内存泄漏分类

4.3 如何检测内存泄漏

4.4 如何避免内存泄漏

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前言

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一、C/C++内存分布

简单了解一下C/C++中程序的内存分布

        

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二、C语言动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc/free

malloc/calloc/realloc 的区别是什么？

void test ()
{
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));

    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    // calloc == malloc + memset

    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);

    free(p1);
    // 这里需要free(p2)吗？为什么？
    free(p3 );
}

realloc对p2这块空间进行扩容，
如果是原地扩容，p3和p2 指向同一块空间
如果是异地扩容，编译器先将p2的内容拷贝到p3中，再释放p2这块空间

        

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三、C++动态内存管理方式

        C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但在有些地方就显得无能为力，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

3.1 new/delete操作内置类型        

C++兼容C语言，内置类型的动态内存管理几乎一样，用法简化了，功能保持一致        

int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));		// 一个对象
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);	// 多个对象
	free(p1);
	free(p2);

	// 自动计算大小，不需要强制类型转换
	int* p3 = new int;        // 一个对象
	int* p4 = new int[10];    // 多个对象    [对象个数]
	delete p3;
	delete[] p4;              // 注意不要漏掉 []

	// C++还支持 开空间 + 初始化
	int* p5 = new int(10);                 // (初始化)
	int* p6 = new int[10] {1, 2, 3, 4};    // {初始化}
	delete p5;
	delete[] p6;

	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[]，申请和释放空间的操作符要匹配起来使用

实现原理：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[]申请和释放的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL

3.2 new和delete操作自定义类型        

malloc 对于内置类型使用起来没有什么问题，但是，对于自定义类型却显得无能为力。因此C++中引入了 new 和 delete

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

int main()
{
	// malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化

    //A* p1 = (A*)malloc(sizoef(A));
    //p1->_a = 0;  //error 私有成员无法手动初始化  
    //p1->A(1);    //error 构造函数不能手动调用    
    
	// 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    

	// 自定义类型 开空间 + 调用构造函数初始化
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A(2);
	// 自定义类型 调用析构函数 + 释放空间
	delete p1;
	delete p2;

	A* p3 = new A[10];
	delete[] p3;
    
    // 隐式类型转换 & 匿名对象 ———— 详细知识见《类与对象》
	A aa1(1);
	A aa2(2);
	A* p4 = new A[10]{ aa1, aa2 };
	delete[] p4;

	A* p5 = new A[10]{ A(1), A(2)};
	delete[] p5;

	A* p6 = new A[10]{ 1, 2 };
	delete[] p6;
	return 0;
}

使用 new/delete 管理自定义类型的内存空间的表现

实现原理：

new                        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                     1. 在释放的对象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 Class[N]        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来释放空间

3.3 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（注意此处与运算符重载没有关系），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；
//申请空间失败时，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)

通过上述两个全局函数的实现知道，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

new/operator new/malloc 的反汇编代码        

extra 不匹配地释放空间

        

3.4 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*, 在使用时必须强制类型转换，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         

        

extra 定位new表达式(placement-new)       

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

        

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四、内存泄漏

4.1 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：对于我们平时在编译器写的程序而言，内存泄漏几乎是没有什么影响的，程序终止的时候内存也就都释放了。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;
}

4.2 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
1. 堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存指的是程序执行中根据需要分配通过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。
2. 系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源，比如 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
       

4.3 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

因此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的

        

4.4 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。tips：这是比较理想的状态。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。tips：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。
总结一下：内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
      

        

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