C\C++内存管理

1.C/C++内存分布

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);
}
//1. 选择题：
//选项 : A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
//globalVar在哪里？__C__   globalVar为全局变量，存储在数据段
// staticGlobalVar在哪里？_C___ staticGlobalVar为静态全局变量，存储在静态区
//staticVar在哪里？_C___   staticVar为静态全局变量，存储在静态区  
//localVar在哪里？__A__		localVar为局部变量，存储在栈上
//num1 在哪里？__A__		num1整型指针变量，存储在栈上
//
//char2在哪里？__A__		char2为字符数组，"abcd"拷贝到字符数组上，字符数组实在栈上
// * char2在哪里？_A__		*char为首元素，首元素字母存储在栈上
//pChar3在哪里？__A__		pChar3是指向常量字符串的指针变量，指针变量存储在栈上
// * pChar3在哪里？__D__	*pChar3是常量字符串的首字符，常量字符存储在常量区
//ptr1在哪里？__A__			ptr1为指向堆空间的指针变量，存储在栈上
// * ptr1在哪里？__B__		*ptr1为堆上的整型数据元素，存储在堆上
//2. 填空题：
//sizeof(num1) = __40__;	num1是数组名，sizeof（数组名）计算的是整个数组大小，num1为10个整型的数组，所以为40个字节	
//sizeof(char2) = __5__;     char2为字符数组名，计算整个字符数组的大小（包括'\0'）,5个字节
// strlen(char2) = __4__;	strlen计算的是'\0'之前的有效字符个数，char2数组字符数为4
//sizeof(pChar3) = __4/8__;     pChar3为指针变量，32位编译环境下4个字节，64位编译环境下8个字节
// strlen(pChar3) = __4__;		strlen计算的是'\0'之前的有效字符个数，pChar3指向的常量字符个数为4
//sizeof(ptr1) = __4/8__;	ptr1为指针变量，大小为4或8个字节
//3. sizeof 和 strlen 区别？
//①sizeof为操作符，strlen为函数
//②sizeof计算的大小取决于数据类型和数据个数、strlen只能计算字符的数据个数
//③sizeof计算字符串大小时包括'\0',strlen只计算'\0'之前的字符数

【说明】

1. 栈又叫堆栈–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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
5. 代码段–可执行的代码 /只读常量。
6. C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free

2.C语言中动态内存管理方式

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3 );
}

1. malloc/calloc/realloc的区别？

3.C++中动态内存管理

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，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。

3.1new/delete内置类型

①动态申请并销毁一个int类型的空间

	int* ptr4 = new int;delete ptr4;

代码编译运行的结果为：

②动态申请一个int类型的空间并初识化为10

	int* ptr5 = new int(10);delete ptr5;

代码编译运行的结果为：

③动态申请并销毁10个int类型的空间

	int* ptr6 = new int[10];delete[] ptr6;

代码编译运行的结果为：

④动态申请并初始化10个int类型的空间

	int* ptr7 = new int[10]{0};delete[] ptr7;

代码编译运行的结果为：

对于内置类型，申请和释放单元个元素的空间，使用new和delete操作符，需要初始化在()里面加上需要初始化的数据，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，在{}里面加上需要初始化的数据，注意：不要和malloc和free混用，一定要匹配起来使用。

3.2new和delete操作自定义类型

eg1:

class A {
public:A(int a=0):_a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A()" << this << endl;}
private:int _a;
};
void Test()
{// 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A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;
}

代码运行的结果为：

eg2:

class A {
public:A(int a=0):_a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A()" << this << endl;}
private:int _a;
};
void Test1()
{A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;
}

代码运行的结果为：

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。

4.operator new与operator delete函数

new和delete是用户进行动态申请和释放的操作符，operator new和operator delete是系统提供的全局函数。

eg1:

class A {
public:A(int a=0):_a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A()" << this << endl;}
private:int _a;
};
void Test2()
{A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));A* p2 = new A(1);operator delete(p1);delete p2;cout << "==============" << endl;A* p5 = (A*)operator new(sizeof(A));A* p6 = new A[10];operator delete(p5);delete[] p6;
}

汇编代码：

	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
00166927  push        4  
00166929  call        operator new (0161145h) //调用函数 
0016692E  add         esp,4  
00166931  mov         dword ptr [p1],eax A* p2 = new A(1);
00166934  push        4  
00166936  call        operator new (0161145h)//调用函数   
0016693B  add         esp,4  
0016693E  mov         dword ptr [ebp-110h],eax  
00166944  mov         dword ptr [ebp-4],0  
0016694B  cmp         dword ptr [ebp-110h],0  
00166952  je          __$EncStackInitStart+6Fh (0166969h)  
00166954  push        1  
00166956  mov         ecx,dword ptr [ebp-110h]  
0016695C  call        A::A (0161005h)//调用构造函数  
00166961  mov         dword ptr [ebp-148h],eax  
00166967  jmp         __$EncStackInitStart+79h (0166973h)  
00166969  mov         dword ptr [ebp-148h],0  
00166973  mov         eax,dword ptr [ebp-148h]  
00166979  mov         dword ptr [ebp-104h],eax  
0016697F  mov         dword ptr [ebp-4],0FFFFFFFFh  
00166986  mov         ecx,dword ptr [ebp-104h]  
0016698C  mov         dword ptr [p2],ecx   

	operator delete(p1);
0016698F  mov         eax,dword ptr [p1]  
00166992  push        eax  
00166993  call        operator delete (01610DCh)  
调用函数
00166998  add         esp,4  
delete p2;//部分汇编代码
00162710  push        ebp  
00162711  mov         ebp,esp  
00162713  sub         esp,0CCh  
00162719  push        ebx  
0016271A  push        esi  
0016271B  push        edi  
0016271C  push        ecx  
0016271D  lea         edi,[ebp-0Ch]  
00162720  mov         ecx,3  
00162725  mov         eax,0CCCCCCCCh  
0016272A  rep stos    dword ptr es:[edi]  
0016272C  pop         ecx  
0016272D  mov         dword ptr [this],ecx  
00162730  mov         ecx,dword ptr [this]  
00162733  call        A::~A (01613EDh) //调用析构函数 
00162738  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  
0016273B  and         eax,1  
0016273E  je          __$EncStackInitStart+31h (016274Eh)  
00162740  push        4  
00162742  mov         eax,dword ptr [this]  
00162745  push        eax  
00162746  call        operator delete (01610A5h) 
//调用operator delete函数 
0016274B  add         esp,8  
0016274E  mov         eax,dword ptr [this]  
00162751  pop         edi  
00162752  pop         esi  
00162753  pop         ebx  
00162754  add         esp,0CCh  
0016275A  cmp         ebp,esp  
0016275C  call        __RTC_CheckEsp (01612FDh)  

代码运行的结果为：

①new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数释放空间；②new操作符先调用operator new函数申请空间，再调用构造函数进行初始化，delete操作符先调用析构函数清理资源，再调用operator delete释放空间。

eg2：

int main()
{int* p1 = nullptr;do{p1 = (int*)malloc(1024*1024);cout << p1 << endl;} while (p1);return 0;
}

代码运行的结果为：

eg3：

int main()
{int* p2 = nullptr;try{do{p2 = new int[1024 * 1024];cout << p2 << endl;} while (p2);}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

代码运行的结果为：

C语言动态申请内存空间，如果申请失败，通过返回值显示；而C++动态申请内存空间，如果申请失败，通过抛异常显示，需要配合try{...}catch(...){...}捕获异常进行使用。

operator new和operator delete底层实现

/*
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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}

通过上述两个函数的事项知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间的，operator delete最终是通过free来释放空间的。

4.2重载operator new与operator delete（了解）

注意：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。

//free的实现#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个
字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,size_t lineNo)
{void* p = ::operator new(size);cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"<< size << endl;return p;
}
// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName,size_t lineNo)
{cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p <<endl;::operator delete(p);
}
int main()
{// 对重载的operator new 和 operator delete进行调用int* p = new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__) int;operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}
// 上述调用显然太麻烦了，可以使用宏对调用进行简化
// 只有在Debug方式下，才调用用户重载的 operator new 和 operator delete
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif
int main()
{int* p = new int;delete(p);return 0;
}

5.new和delete的实现原理

5.1内置类型

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。

5.2 自定义类型

• new的原理

1. 在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

• delete的原理

1. 在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 T[N]的原理

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

eg1:

typedef int DataType;
class Stack
{
public:Stack(size_t capacity = 3){cout << "Stack(size_t capacity = 3)" << endl;_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);if (NULL == _array){perror("malloc申请空间失败!!!");return;}_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(DataType data){// CheckCapacity();_array[_size] = data;_size++;}// 其他方法...~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;if (_array){free(_array);_array = NULL;_capacity = 0;_size = 0;}}private:DataType* _array;int       _capacity;int       _size;
};int main()
{try{// 需要申请一个堆上的栈对象Stack* p1 = new Stack;delete p1;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

代码运行的结果为：

自定义类型使用new开辟空间以及delete销毁释放空间的优点：①不用计算自定义类型的大小；②在当前进程中会自动调用构造函数和析构函数。

6.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。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//p1为指向A类型空间大小的指针，无法调用构造、析构函数new(p1)A;//注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参、显示调用构造p1->~A();//显示调用析构free(p1);A * p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

代码运行的结果为：

7.内存管理相关知识

7.1 malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地方是：

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*, 在使用时必须强转，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

7.2内存泄漏

7.2.1什么是内存泄漏

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：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;
}

7.2.2内存泄漏的危害

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

• 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。

作为一名合格的程序员，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。