【C++初阶】6. CC++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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？____   staticGlobalVar在哪里？____
//staticVar在哪里？____   localVar在哪里？____
//num1 在哪里？____
//
//char2在哪里？____ * char2在哪里？___
//pChar3在哪里？____ * pChar3在哪里？____
//ptr1在哪里？____ * ptr1在哪里？____
//2. 填空题：
//sizeof(num1) = ____;
//sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
//sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
//sizeof(ptr1) = ____;

【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。
   (属于Linux相关模块，会在Linux博客中详细描述，现在仅需了解即可）
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

2. 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);// 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);
}

这里的p2并不需要释放，因为若是空间不够realloc p3 会先释放p2原来的空间，再重新找一块空间
若是空间够，p3 和 p2 指向同一块空间

3. 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。

3.1 new/delete操作内置类型

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

注意：在申请自定义类型的空间时，new会自动调用构造函数，delete自动会调用析构函数，而malloc与free不会。

关键点：

new和delete、malloc和free、new[ ] 和delete[ ] 必须要匹配使用

总结：

new / delete 相较于 malloc / free的优势在于：
1.new / delete会自动调用构造 / 析构函数，而malloc / free不会
2. new 不需要检查返回值来判断是否开辟成功，而malloc需要

4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator new与operator delete函数

底层new的实现：

1. operator new ==》本质也就是经过封装的malloc
2. 调用构造函数

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operator delete全局函数来释放空间。

//以下为库中的operator new和operator delete的实现：
/*
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;
}
/*
free的实现
*/
#define  free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

C语言中的free是_free_dbg的宏定义，而C++中delete中也有_free_dbg

为啥要封装malloc，申请内存失败要报异常呢？因为这样才符合C++面向对象处理错误的方式

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. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

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

对于operator new [ ] / operator delete [ ] 而言，最终调用的也是operator new / operator delete ，只不过是多次调用而已

6. 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（使用池化技术：提高效率）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。

7. 常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别（重点）

不能采用死记硬背的方式，要结合实例深刻理解

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，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。

7.2.2 内存泄漏是内存丢了，还是指针丢了？

内存泄漏是指指针丢了该空间已经不需要再使用了（需要释放），但是找不到访问该空间的方法【形象的比喻：站着茅坑不拉屎】
而不是说内存丢了，操作系统的内存空间并未减少

7.2.3 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。
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。