c++动态内存分布以及和C语言的比较

 

 

文章目录

• 前言
• 一.c/c++内存分布
•      C语言的动态内存管理方式
•      C++内存管理方式
•      operator new和operator delete函数
•      malloc/free和new/delete的区别
•      定位new
•      内存泄漏的危害
• 总结

 

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前言

c++是在c的基础上开发出来的，所以关于内存管理这一方面是兼容c的，比如以前C语言的malloc等等都是可以继续使用的，但是靠C语言以前的东西是解决不了c++中的问题的，比如自定义类型空间的开辟以及自定义类型如何释放空间等等，所以在内存管理这方面c++又与c有一些不一样，今天我们就来看一下c++对于内存管理都有什么不一样的点。

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一、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);
}

 首先globalvar是全局变量，全局变量的static修饰的变量都放在静态区，staticGlobalVar既是全局变量又是静态变量所以还是放在静态区，staticVar虽然在局部作用域中但是静态变量都是放在静态区的，localVar是局部变量，局部变量放在栈中，num1是存放10个整形的数组也放在栈中。所以前5个的答案是C C C A A 

char 2[]是一个数组，同理是放在栈中的，*char2对数组名进行解引用，数组名代表首元素地址，也就是a存放的地方，数组都在栈中那么a肯定也是存放在栈中了。pchar3是一个指针变量，局部变量都是存放在栈中的，*pchar3是对这个指针变量进行解引用，解引用后找到其实际内容，虽然变量是在栈中开辟的，但是由于保存的是常量所以常量是放在常量区，所以*ptr3在代码段中。ptr1同样是指针变量，指针变量在栈中开辟，*ptr1是ptr1所指向的空间，使用malloc开辟的空间是在堆中，所以*ptr1是在堆中。这6道题的答案为：A A A D A B

 num1是个有10整形的数组，所以大小为40.char2是个字符数组，存放abcd\0共占用5个字节。strlen（char2）为4因为strlen会算到\0之前不包含\0.pchar3是个指针，指针是4/8字节。pchar3的长度也为4，ptr1是个指针大小也为4/8。所以答案为:40 5 4 4/8 4 4/8

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。

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。

堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。

数据段：存储全局数据和静态数据

代码段：可执行的代码/只读常量

C语言的动态内存管理方式

C语言使用malloc/calloc/realloc/free管理内存，那么malloc/calloc/realloc有什么区别呢？

malloc开辟空间不会进行初始化，calloc会初始化为0。realloc分为原地扩容和异地扩容，当原来扩容的空间后面有足够的空间的时候就在原来空间的后面直接扩容，如果空间不够则先找到一块足够大的空间然后将原来空间的数据拷贝到新空间再将旧空间释放掉。

c++内存管理方式

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。

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。

下面讲解new和delete如何使用：

 当然new是可以手动初始化的，方式如下：

那么开连续的空间是什么样的呢？

 当然连续的也可以初始化，方式如下：

我们使用new开辟空间一定要用delete去释放，尤其是自定义类型的时候因为delete会调用析构函数如果你在这里使用free释放空间，那么析构函数中没有释放的空间就会造成内存泄漏。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* pp = new A(1);delete pp;return 0;
}

 operator new与operator delete 函数

我们听名字以为这是运算符重载，其实不是这里只是用了一样的词罢了，这里与运算符重载没有任何关联。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operator delete释放空间。当然还有operator new[]和operator delete[]是为了匹配new【】和delete【】。

 那么operator new和operator delete的底层是怎么实现的呢？

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，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果

malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施

就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

那么new和delete的底层既然是通过malloc和free实现的为什么不建议混用呢？这里拿自定义类型举个例子：

class Stack
{
public:Stack(){cout << "stack()" << endl;_a = new int[4];top = 0;capacity = 4;}~Stack(){cout << "~Stack" << endl;delete[] _a;_a = nullptr;top = capacity = 0;}private:int* _a;int top;int capacity;
};
int main()
{Stack sl;  //自定义类型会去调用构造和析构//这里的指针类型为内置类型，所以需要手动释放空间Stack* pst = new Stack;delete pst;return 0;
}

如上图所示，指针类型为内置类型不管是什么类型的指针都是内置类型所以不会像自定义类型一样调用构造和析构，当我们用pst开辟空间的时候和sl有什么不一样呢？看下图：

如果我们混着用比如释放的时候用free，free是不会调用析构函数的所以堆中绿色_a的空间没办法释放直接将pst的空间释放后再也找不到_a的空间了，这就造成了内存泄漏。

malloc/free和new/delete的区别 

1.malloc/free对于自定义类型不会调用其构造和析构函数，new/delete对于自定义类型会调用其构造函数和析构函数。

2.malloc开辟空间的时候不能初始化，new可以手动初始化。

3.malloc/free是函数，new/delete是操作符。

4.malloc申请空间时需要手动计算其空间大小，new申请空间编译器会自动计算，如果是多个对象new只需要在后面[]里加上对象个数即可。

5.malloc的返回值为void*,使用时必须将malloc强制转换，new不需要new后面就是类型。

6.malloc申请空间失败会返回空指针，而new申请空间失败会抛异常。

定位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式调构造函数初始化。

如上图，因为操作系统是给所有的资源分配空间所以当你去向操作系统申请空间的时候会慢一些，这个时候可以直接像自己的内存池要内存，内存池的内存也是从堆里来的，当内存池有内存的时候就会把空间给你，如果没有内存内存池就会去找操作系统，然后内存池找操作系统要内存，内存池要的内存一般比你申请的空间要大，因为内存池要保证内存够用并且下一次来申请还有足够的内存。内存池的方式相比找操作系统消耗会变小。下面是定位new的使用样例： 

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A aa;A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));if (p1 == NULL){perror("malloc:");exit(-1);}//定位new 对已有的空间初始化。new(p1)A(1);A* p2 = new A;p1->~A();free(p1);delete p2;return 0;
}

图中我们用malloc开的空间是没办法初始化的，所以使用定位new对p1进行了初始化。p1既然既然是A*的指针那么就可以访问A类的公有函数，而这样的初始化其实我们用new就可以搞定，因为new对自定义类型会去调用构造函数。

内存泄漏的危害

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;
}

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。

如何检测内存泄漏？

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该

函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{int* p = new int[10];// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏_CrtDumpMemoryLeaks();return 0;
}

那么怎么避免内存泄漏呢？

7.2.4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。

4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄

漏检测工具。

 

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总结

c/c++的内存管理最大的区别在于如何处理自定义类型，由于c++要兼容c所以做了很多的取舍比如定位new等，本章的关键在于malloc/free与new/delete的区别并且正确匹配的使用new和malloc，只有养成良好的编码习惯才能减少内存泄漏的危害