【C++】C/C++内存管理

前言：

        前面我们已经学习了类与对象，认识了六个默认成员函数。这一篇文章我们来学习C/C++内存管理，深入了解这套机制有利于我们之后写出更好的C/C++程序。

一、C/C++内存分布：

1.C/C++中程序内存区域划分：

         在C++中，内存划分为六个部分，分别是：内核空间、栈、内存映射段、堆、数据段、代码段。

        栈，在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

        堆，就是哪些有new分配的内存块，它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。如果没有释放就会存在内存泄漏，只能等程序结束后，操作系统自动回收。

        数据段（全局/静态存储区），全局变量和静态变量被分配到这一块内存中，在C语言中，全局变量由分为初始化和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们里面存放的是常量，不允许修改。

        代码段（常量存储区），这是一块比较特殊的存储区，存放的是常量，不允许被修改。

        内存映射区是高效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内存，作进程间通信。

2.经典代码分析：

        我们通过上面讲到的六个内存区域，来判断一下代码变量存储的内存区域。

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);
}

globalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____
num1 在哪里？____

staticGlobalVar在哪里？____
localVar在哪里？____

char2在哪里？____
pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____

*char2在哪里？___
*pChar3在哪里？____
*ptr1在哪里？____
选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

globalVar是一个全局变量，staticVar是一个静态局部变量，staticGlobalVar是一个静态全局变量，所以这三个变量都放在数据段（静态区）上；

num1[10]和char2都是数组，localVar是一个函数内部定义的变量，char所以这三个是放在栈上的；

pChar3是一个局部的指针变量，也是存在栈上的；*pChar3指向常量字符串，解引用后就是在常量区了

ptr1是指针变量，是放在栈上的；*ptr1是malloc出来的，所以是在堆上的。

二、内存管理方式：

1.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

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);
}

①malloc函数：

malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以viod*类型返回分配的内存区域地址。

返回值：返回的指针指向该分配域的开头位置，否则返回空指针NULL；

②calloc函数：

calloc也是用于申请一块连续的致电给大小的内存块区域。与malloc最大的区别就是calloc会初始化为0；

③realloc函数：

指针名=（类型*）realloc（要改变的内存大小的指针名，新的大小）。

新的的大小可以比原来的大也可以比原来的小（如果比原来的大则新分配的部分不会初始化，如果比原来的小则可能会导致数据丢失）

2.C++内存管理方式：

        我们在C语言学习的内存管理方式可以在C++继续使用，但有些地方使用起来就会无能为力或者会比较麻烦，所以C++又推出了自己的内存管理方式：通过new和delete草错付进行动态内存管理。

①new/delete操作内置类型：

void test()
{
    //动态申请一个int类型的空间
    int* ptr1=new int;

    //动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr2=new int(10);    //10为初始化值

    //动态申请10个int类型的空间
    int* ptr3=new int[10];   //10为对象个数；
    
    //动态申请10个int类型的空间,并通过花括号初始化
    int* ptr4=new int[10]{1};
    
    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
    delete[] ptr4;
}

ps:

①ptr3是new了10个对象，不初始化。ptr4是new了10个对象，然后通过花括号初始了第一个值是10，其余的编译器自动初始化为0，如果你想继续初始剩下的值可以在花括号继续写下去，写法跟C语言数组初始化一样，比如你想把第二、三个分别初始化为2跟3，就这样写{1，2，3}即可。

②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[]。（匹配使用）

②new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最大的区别是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;


    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。

三、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：operator new和operator delete不是对new和delete重载，这是两库函数。new在底层中实际通过调用operator new全局函数来实现申请空间，相同的delete底层也是通过operator delete全局函数来实现释放空间；

operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功是直接返回，申请失败，尝试执行空间不足应对措施，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。operator new底层实际是对malloc进行封装，operator delete底层实际是对free进行封装。

int main()
{
    Stack* s1 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
    operator delete(s1);

    Stack* s2 = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
    free(s2);

    return 0;
}

operator new和operator delete的功能分别跟malloc和free一样，都不会去调用构造函数和析构函数，但是还是有不同的：1、operator new不需要检查开辟空间的合法性；2、operator new开辟失败会抛异常。

1.重载operator new与operator delete(了解)：

一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间
时候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。

四、new和delete实现原理：

1.内置类型：

        如果申请的是内置类型，new、delete和malloc、free基本上无差别，不同的是：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原理：

①调用operator new函数申请空间；

②在申请空间上执行构造函数，完成对象构造。

delete原理：

①在空间上执行析构函数，完成对象资源清理工作；

②调用operator delete函数释放空间。

new T[N]原理：

①调用operator new[]函数申请空间，operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对
象空间的申请；

②实际调用了N次构造函数。

delete[]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. 定位new表达式(placement-new) （了解）：

         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。

四、内存泄漏：

1.什么是内存泄漏：

        内存泄漏早在C语言阶段我们就了解过了，这边我们重新了解一下。内存泄漏是指因为错误或疏忽导致程序未能释放已经不在使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存物理上的泄漏丢失，而是程序分配某内存后，因为设计错误，失去对这块内存的控制，因而造成内存浪费。

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。

2.内存泄漏分类：

Ⅰ.堆内存泄漏：

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。

Ⅱ.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。

3.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。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。
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。