C/C++内存管理详解
目录
一、C++内存分布
二、C语言与C++内存管理方式
1、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
2、C++中的内存管理方式：new/delete
三、operator new与operator delete函数
1、函数概念：
2、函数使用：
3、底层原理：
四、new和delete的实现原理
1、对于内置类型：
2、对于自定义类型：
五、内存泄漏
1、概念：
2、内存泄漏分类：
3、避免内存泄漏：
一、C++内存分布
c/c++中程序内存区域划分：
1、栈区：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。
2、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。
3、堆区：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
4、数据段(静态区)--存储全局数据和静态数据。
5、代码段(常量区)：可执行的代码/只读常量。
二、C语言与C++内存管理方式
1、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
malloc：在内存的动态存储区中分配一块长度为size字节的连续区域，参数size为需要内存空间的长度，返回该区域的首地址
calloc：与malloc类似，不同点是函数calloc() 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零
realloc： 给一个已经分配了地址的指针重新分配空间，可以做到对动态开辟内存大小的调整。
void Test1()
{
char* ptr1 = (char*)malloc(sizeof(char));
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 10);
free(ptr1);
free(ptr3);
}2、C++中的内存管理方式：new/delete
C++的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。
为什么c++要出一套自己的内存管理规则？
1、C语言的申请内存比较繁琐，要强转，要计算大小，要检查返回值
2、无法对自定义类型的空间申请做出很好的控制（针对自定义类型能更好的初始化与清理）
（1）new/delete操作内置类型：
void Test2() { // 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); // 动态申请10个int类型的空间 int* ptr3 = new int[3]; // 动态申请10个int类型的空间并初始化/不完全初始化 int* ptr4 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5}; delete ptr1; delete ptr2; delete[] ptr3; delete[] ptr4; }
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[]，注意：匹配起来使用。
（2）、new和delete操作自定义类型
new和delete相比于malloc和free的优点：
申请空间时：malloc只开空间，new不仅开空间还会调用构造函数初始化。
释放空间时：delete会调用析构函数，free不会。
当我们运行以下程序可知：
class A { public: A(int a = 0) { cout << "A() // 调用构造函数" << endl; } ~A() { cout << "~A() // 调用析构函数" << endl; } private: int _a; }; int main() { A* a = new A(1); delete a; return 0; }且new在申请内存时不需要像malloc一样检查合法性，new申请空间失败会自动抛异常
void Test3() { //malloc失败，返回空指针 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); assert(ptr1); //malloc出来的需要检查合法性 int* ptr2 = new int; //new出来的不需要检查合法性，失败会自动抛异常 }
三、operator new与operator delete函数
1、函数概念：
注意：operator new和operator delete不是对new和delete的重载，是库函数。
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，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过调用 operator delete全局函数来释放空间。
operator new的本质是对malloc的封装。
- 该函数实际上就是通过malloc来申请空间，申请成功时直接返回，失败时抛异常
operator delete的本质是对free的封装。
2、函数使用：
void Test4()
{
int* ptr2 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(ptr2);
// 使用方法与malloc/free相似
int* ptr1 = (int*)operator new(sizeof(int));
operator delete(ptr1);
}operator new/operator delete与malloc/free的相同点：
- 功能一样，不会去调用构造函数和析构函数。
不同点：
- operator new不需要检查开辟空间的合法性，失败就抛异常。
3、底层原理：
new的底层原理：转换成调用operator new + 构造函数
delete的底层原理：转换成调用operator delete + 析构函数
operator new与operator delete的类专属重载：
为了避免有些情况下我们反复的向堆申请释放空间，于是产生池化技术（内存池），直接找内存池申请释放空间，此时效率更高更快。new/delete的类专属重载就是在new调用operator new的时候就可以走内存池的机制从而提高效率。
内存池：
内存池是一种内存管理策略，它通过预先分配一定数量的、大小固定的内存块来优化内存分配性能和减少内存碎片化，从而提高资源利用率。内存池允许应用程序快速、高效地获取和释放内存，而不需要频繁地从系统内存中分配和释放小块内存。
四、new和delete的实现原理
1、对于内置类型：
对于内置类型，new和malloc，delete和free基本类似，
不同点为：
- 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。
- new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
2、对于自定义类型：
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。
五、内存泄漏
1、概念：
内存泄漏是一种编程错误，发生在一个程序重复地分配内存但未能释放已不再使用的内存。这将导致系统内存逐渐耗尽，最终可能使得程序或整个系统变得不稳定，甚至崩溃。
内存泄漏的危害：
内存泄漏会导致程序持续占用内存而不释放，造成系统性能下降。
当内存泄漏累积到一定程度时，程序运行速度变慢，响应时间变长。
当大量内存被泄漏时，会导致系统内存不足，从而造成使系统崩溃或死锁等问题。
2、内存泄漏分类：
在C/C++程序中一般我们主要关心以下内存泄漏：
堆内存泄漏(Heap leak)：
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。
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、避免内存泄漏：
1、养成良好的编码规范，确保每次分配内存后都有对应的释放内存的操作。
2、使用垃圾回收机制（一种自动管理内存的方式，可以自动回收无用的内存，防止内存泄漏）。
3、采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
4、进行内存泄露测试：可以使用一些内存泄露测试工具，比如Valgrind、Memory Profiler等。