C/C++动态内存管理—(new与malloc)

1.C/C++内存分布

虚拟地址空间分布：

由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

• 栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放为运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
• 堆区（heap） — 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束 时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
• 全局区（静态区）（static）—存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后由系统释放。
• 文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放。
• 程序代码区—存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

这里主要讲C/C++在堆上的动态分配方式。

2.C语言动态内存分配

申请内存：
malloc、calloc、realloc。
释放内存：
free。

2.1 malloc

void *malloc(unsigned int size)

开辟一块长度为size的连续内存空间，返回类型为void类型的指针。在使用malloc开辟一段空间时，void*要显示的转换为所需要的类型，如果开辟失败，则返回NULL指针。

2.2 calloc

void* calloc (size_t num, size_t size)

开辟一块num个大小为size的连续空间，并将每一块空间初始化为0。

2.3 realloc

void *realloc(void *ptr,size_t size)

将内存地址为ptr的一段空间的大小调整为size大小。

如果ptr这段空间后面有足够的空间，就直接追加上来
如果ptr后面的空间不足，则在堆上重新开辟一块合适大小的连续空间，将原有数据拷贝到新的内存空间中，释放掉原来的内存，最后返回的则是新地址。

2.4 free

void free (void* ptr)

free函数是来释放动态开辟的内存的。
malloc和free要配套使用，如果没有free则会造成内存泄漏。

3.C语言动态内存代码示例

#include 
 
int a = 0;    //a在全局已初始化数据区  
char *p1;     //p1在bss段（未初始化全局变量）  
int main()  
{
    int b;                   //b在栈区
    char s[] = "abc";        //s为数组变量，内容存储在栈区
    char *p1，p2;            //p1、p2在栈区
    char *p3 = "123456";     //123456\0是字符串常量，而p3在栈区  
    static int c = 0；       //C为静态数据，存在于已初始化数据区，另外，静态数据会自动初始化
    p1 = (char*)malloc(10);  //分配得来的10个字节的区域在堆区
    p2 = (char*)malloc(20);  //分配得来的20个字节的区域在堆区
    free(p1);
    free(p2);
    return 0;
}

4.C++动态内存分配

申请内存：
new。
释放内存：
delete。

4.1 new

new做的事：

• 1.调用operator new分配空间
• 2.调用构造函数初始化空间

//正确申请
Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100个动态对象
//错误申请
Obj *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1

4.1.1 operator new

/*
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);
}

4.2 delete

delete做的事：

• 1.调用析构函数清理对象
• 2.调用operator delete释放空间

// 正确的用法
delete []objects; 
// 错误的用法
delete objects; //相当于 delete objects[0]，漏掉了另外 99 个对象。

4.2.1 operator delete

/*
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;
}

5.C++动态内存代码示例

int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区

int main() 
{
int b; //栈
char s[] = /"abc/"; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = /"123456/"; //123456//0在常量区，p3在栈上。
static int c =0;//全局（静态）初始化区
p1 = new char[10];
p2 = new char[20];
//分配得来得和字节的区域就在堆区。
}

6.new/delete和malloc/free的异同

相同点：

• new、delete、malloc、free 都是从堆上开辟空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

• new和delete是操作符，malloc和free是函数。
• malloc申请空间不会进行初始化，new申请空间可以初始化。
• malloc申请空间失败返回NULL，new申请空间失败会抛出异常。
• 针对自定义类型，new和delete会自动调用构造函数和析构函数处理。

有了malloc/free为什么还要new/delete?

• new运算不需要进行强制类型转换，使用简单方便；
• new运算是通过调用构造函数初始化动态创建的对象，执行效率更高；
• 使用new能够进行异常处理，使用更安全；

7.动态内存常见问题–内存泄露

• 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，就会产生堆内存泄漏。
• 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。

7.1内存泄漏有什么危害？

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。

7.2 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.
• 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
• 使用内存泄漏工具检测。