13道C++面试问答（内存管理）

new/delete和malloc/free之间有什么关系?

 int *p = new int[2];
int *q = (int *)malloc(2*sizeof(int));

• new与delete直接带具体类型的指针，malloc和free返回void类型的指针。
• new类型是安全的，而malloc不是。例如int *p = new float[2];就会报错；而int p =
  malloc(2sizeof(int))编译时编译器就无法指出错误来。
• new一般分为两步：new操作和构造。new操作对应与malloc，但new操作可以重载，可以自定义内存分配策略，不做内存分配，甚至分配到非内存设备上，而malloc不行。
• new调用构造函数，malloc不能；delete调用析构函数，而free不能。
• malloc/free需要库文件stdlib.h的支持，new/delete则不需要！

「注意」：delete和free被调用后，内存不会立即回收，指针也不会指向空，delete或free仅仅是告诉操作系统，这一块内存被释放了，可以用作其他用途。但是由于没有重新对这块内存进行写操作，所以内存中的变量数值并没有发生变化，出现野指针的情况。因此，释放完内存后，应该讲该指针指向NULL。

delete与delete []有什么区别?

• 对于简单类型来说，使用new分配后，不管是数组数组还是非数组形式，两种方式都可以释放内存：

int *a = new int(1);
delete a;
int *b = new int(2);
delete [] b;
int *c = new int[11];
delete c;
int *d = new int[12];
delete [] d;

• 对于自定义类型来说，就需要对于单个对象使用delete，对于对象数组使用delete
  []，逐个调用数组中对象的析构函数，从而释放所有内存； 如果反过来使用，即对于单个对象使用delete
  []，对于对象数组使用delete，其行为是未定义的；
• 所以，最恰当的方式就是如果用了new，就用delete；如果用了new []，就用delete []。

内存块太小导致malloc和new返回空指针，该怎么处理?

• 对于malloc来说，需要判断其是否返回空指针，如果是则马上用return语句终止该函数或者exit终止该程序；
• 对于new来说，默认抛出异常，所以可以使用try…catch…代码块的方式：

try {
  int *ptr = new int[10000000];
} catch(bad_alloc &memExp) {
  cerr << memExp.what() << endl;
}

还可以使用set_new_handler函数的方式：

void no_more_memory() {
  cerr << "Unable to satisfy request for memory" << endl;
  abort();
}
int main() {
  set_new_handler(no_more_memory);
  int *ptr = new int[10000000];
}

• 在这种方式里，如果new不能满足内存分配请求，no_more_memory会被反复调用，所以new_handler函数必须完成以下事情：
  让更多内存可被使用：可以在程序一开始执行就分配一大块内存，之后当new_handler第一次被调用，就将这些内存释放还给程序使用；
• 使用另一个new_handler；
• 卸除new_handler：返回空指针，这样new就会抛出异常；
• 直接抛出bad_alloc异常；
• 调用abort或exit。

内存泄漏的场景有哪些?

内存泄漏的场景：

• malloc和free未成对出现；new/new []和delete/delete []未成对出现；
  • 在堆中创建对象分配内存，但未显式释放内存；比如，通过局部分配的内存，未在调用者函数体内释放：

char* getMemory() {
    char *p = (char *)malloc(30);
    return p;
}
int main() {
    char *p = getMemory();
    return 0;
}

• 在构造函数中动态分配内存，但未在析构函数中正确释放内存；
• 未定义拷贝构造函数或未重载赋值运算符，从而造成两次释放相同内存的做法；比如，类中包含指针成员变量，在未定义拷贝构造函数或未重载赋值运算符的情况下，编译器会调用默认的拷贝构造函数或赋值运算符，以逐个成员拷贝的方式来复制指针成员变量，使得两个对象包含指向同一内存空间的指针，那么在释放第一个对象时，析构函数释放该指针指向的内存空间，在释放第二个对象时，析构函数就会释放同一内存空间，这样的行为是错误的；
• 没有将基类的析构函数定义为虚函数。

判断和定位内存泄漏的方法：在Linux系统下，可以使用valgrind、mtrace等内存泄漏检测工具。

内存的分配方式有几种?

• 在栈上分配：在执行函数时，局部变量的内存都可以在栈上分配，函数结束时会自动释放；栈内存的分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但分配的内存容量有限；
• 从堆上分配：就是那些由 new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收
• 从自由存储区分配：如果说堆是操作系统维护的一块内存，那么自由存储区就是C++中通过new和delete动态分配和释放对象的抽象概念。需要注意的是，自由存储区和堆比较像，但不等价
• 从常量存储区分配：特殊的存储区，存放的是常量，不可修改；
• 从全局/静态存储区分配：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量和静态变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，它们共同占用同一块内存区，在该区定义的变量若没有初始化，则会被自动初始化，例如int型变量自动初始为0

堆和栈有什么区别?

• 分配和管理方式不同：
  • 堆是动态分配的，其空间的分配和释放都由程序员控制；
  • 栈是由编译器自动管理的，其分配方式有两种：静态分配由编译器完成，比如局部变量的分配；动态分配由alloca()函数进行分配，但是会由编译器释放；
• 产生碎片不同：
  • 对堆来说，频繁使用new/delete或者malloc/free会造成内存空间的不连续，产生大量碎片，是程序效率降低；
  • 对栈来说，不存在碎片问题，因为栈具有先进后出的特性；
• 生长方向不同：
  • 堆是向着内存地址增加的方向增长的，从内存的低地址向高地址方向增长；
  • 栈是向着内存地址减小的方向增长的，从内存的高地址向低地址方向增长；
• 申请大小限制不同：
  • 栈顶和栈底是预设好的，大小固定；
  • 堆是不连续的内存区域，其大小可以灵活调整

静态内存分配和动态内存分配有什么区别?

• 静态内存分配是在编译时期完成的，不占用CPU资源；动态内存分配是在运行时期完成的，分配和释放需要占用CPU资源；
• 静态内存分配是在栈上分配的；动态内存分配是在堆上分配的；
• 静态内存分配不需要指针或引用类型的支持；动态内存分配需要；
• 静态内存分配是按计划分配的，在编译前确定内存块的大小；动态内存分配是按需要分配的；
• 静态内存分配是把内存的控制权交给了编译器；动态内存分配是把内存的控制权给了程序员；
• 静态内存分配的运行效率比动态内存分配高，动态内存分配不当可能造成内存泄漏。

如何构造一个类，使得只能在堆上或只能在栈上分配内存?

• 只能在堆上分配内存：将析构函数声明为private；
• 只能在栈上生成对象：将new和delete重载为private。

浅拷贝和深拷贝有什么区别?

浅拷贝只复制指向某个对象的指针，而不复制对象本身，新旧对象还是共享一块内存；而深拷贝会创造一个相同的对象，新对象与原对象不共享内存，修改新对象不会影响原对象。

字节对齐的原则是什么?

• 从偏移为0的位置开始存储；
• 如果没有定义#pragma pack(n)
  • sizeof的最终结果必然是结构内部最大成员的整数倍，不够补齐；
  • 结构内部各个成员的首地址必然是自身大小的整数倍；
• 如果定义了#pragma pack(n)
  • sizeof的最终结果必然必然是min[n,结构内部最大成员]的整数倍，不够补齐；
  • 结构内部各个成员的首地址必然是min[n,自身大小]的整数倍。

结构体内存对齐问题

• 结构体内成员按照声明顺序存储，第一个成员地址和整个结构体地址相同。
• 未特殊说明时，按结构体中size最大的成员对齐（若有double成员，按8字节对齐。）

c++11以后引入两个关键字 alignas与 [alignof]。其中alignof可以计算出类型的对齐方式，alignas可以指定结构体的对齐方式。

但是alignas在某些情况下是不能使用的，具体见下面的例子:

// alignas 生效的情况

alignas将内存对齐调整为4个字节。所以sizeof(Info2)的值变为了8。

// alignas 失效的情况

若alignas小于自然对齐的最小单位，则被忽略。

• 如果想使用单字节对齐的方式，使用alignas是无效的。应该使用#pragma
  pack(push,1)或者使用__attribute__((packed))。

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #define ONEBYTE_ALIGN __attribute__((packed))
#elif defined(_MSC_VER)
  #define ONEBYTE_ALIGN
  #pragma pack(push,1)
#endif

确定结构体中每个元素大小可以通过下面这种方法:

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #define ONEBYTE_ALIGN __attribute__((packed))
#elif defined(_MSC_VER)
  #define ONEBYTE_ALIGN
  #pragma pack(push,1)
#endif

这种处理方式是alignas处理不了的。

在C++中，使用malloc申请的内存能否通过delete释放?使用new申请的内存能否用free?

不能。

malloc /free主要为了兼容C，new和delete 完全可以取代malloc /free的。malloc /free的操作对象都是必须明确大小的。

而且不能用在动态类上。new 和delete会自动进行类型检查和，也不需要自己明确内存大小，malloc/free不能执行构造函数与析构函数，所以动态对象它是不行的。

当然从理论上说使用malloc申请的内存是可以通过delete释放的。不过一般不这样写的。而且也不能保证每个C++的运行时都能正常。