C/C++内存管理

片头

C++是一种强大的编程语言，广泛应用于各种软件开发领域。在C++中，内存管理是一个至关重要的方面，它直接影响程序的性能和稳定性。

在之前的C语言中，我们学习了malloc、calloc、realloc和free，对C语言的内存管理有了一个大致的了解。

我们接下来学习C++的内存管理，准备好了吗？咱们开始咯！

一、C/C++中程序内存区域划分

C++中，程序的内存区域从低地址到高地址划分如下：

• 栈：又叫堆栈，存储非静态局部变量/函数参数和返回值等，从高地址向低地址增长。
• 内存映射块：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内存，做进程间通信。 
• 堆：用于程序运行时动态内存分配，从低地址向高地址增长。
• 数据段：存储已初始化的全局变量和静态变量。
• 代码段：存储可执行程序的代码和只读常量。

我们来完成一下填空吧~

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);
}

上方填空答案：CCCAA
下方填空答案：AAADAB

    globalVar是全局变量 ，staticGlobalVar是静态全局变量，它们的生命周期在main函数之前就创建好了，它们的生命周期就是程序的生命周期。 staticVar是静态局部变量，局部的静态变量在第一次调用的时候才会创建。这3个都存放在静态区中。

   localVar和num1是局部变量，生命周期只在当前作用域，它们2个都存放在栈中。

   char2和num1一样，都是数组，在栈上开辟空间，但是num1开辟了10个int类型的空间来存放数据，并且用1,2,3,4来初始化；在char2数组中，存放常量字符串的内容，分别为'a','b','c','d','\0'。char2存放的是首元素的地址，也就是'a'的地址，*char2就是对这个地址进行解引用，*char2是'a'。也就是说，*char2访问的是字符数组里面的内容。字符数组在栈里面。因此，char2和*char2都在栈上。

   pChar3是一个指针，存放在栈里面。它不能存放常量字符串的内容，而是存放常量字符串首元素的地址（'a'的地址），常量字符串本身在常量区，指针指向常量区这块空间，对指针进行解引用（*pChar3）访问的是常量区这块空间（'a'）。也就是说，*pChar3在常量区中。（指针指向是这个常量字符串，那么解引用就拿到的是常量字符串里面的内容，常量字符串里面的内容本身就在常量区）

    ptr1是指针，存放在栈里面。malloc申请的空间在堆上。因此，ptr1指针指向堆空间，对ptr1进行解引用，访问的是堆空间里面的内容。*ptr1在堆上。

来看看下面这个代码：

#include<iostream>
using namespace std;

int main() {
	//栈
	const int a = 0;
	int b = 0;

	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	return 0;
}

const修饰a，a的值不能被改变。你可能会有疑问：那么a是不是就在常量区呢？别着急，我们运行一下就知道了~

由此我们可知，int类型的变量不管有没有被const修饰，都存放在栈上。

再看看这个：

	const char* p = "11111111";
	cout << (void*)p << endl;

运行一下：

二、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。

回想一下我们在C语言阶段学习的动态内存管理~

2.1 new/delete操作内置类型

void Test() {
	//1.动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;

	//2.动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);

	//3.动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];

	//4.动态申请3个int类型的空间并初始化
	int* ptr7 = new int[3]{ 4,5,6 };

	//释放单个元素的空间
	delete(ptr4);
	delete(ptr5);

	//释放多个元素的连续空间
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
}

我们一步一步来讲解： 

 实际上，面对内置类型，用malloc和new没有本质的区别，最大的区别在于：new可以初始化

在默认情况下，new和malloc一样，不会对内置类型进行初始化，但是我们可以对new出来的元素进行初始化~

 注意啦：初始化是后面加圆括号（），申请多个元素是加方括号[]

我们new一个数组时，也可以对这个数组进行初始化，看看吧~

C++不推荐使用malloc和free，我们最好使用new和delete，并且记得务必匹配使用。

对于内置类型，malloc和new区别不大。new和delete是为了自定义类型而生的。

看看下面这幅图~

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[]，匹配起来使用。

2.2 new和delete操作自定义类型

我们在创建自定义类型对象的时候，需要调用构造函数，销毁时需要调用析构函数。如果我们使用malloc和free的话，是不会调用这2个函数的。

使用new来为自定义类型对象申请空间，编译器才会调用构造函数为对象初始化；用delete为自定义类型对象释放空间，才能调用析构函数。

class A {
public:
	//默认构造
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

	//拷贝构造
	A(const A& aa) 
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	//赋值运算符重载
	A& operator=(const A& aa) {
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa) {
			_a = aa._a;
		}
		return *this;
	}

	//析构函数
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main() {

	//new/delete 和 malloc/free 最大区别是:
	//new/delete对于【自定义类型】除了开空间/释放空间，还会调用构造函数和析构函数

	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//调用默认构造,如果没有默认构造,那就显式调用传参构造
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;

	//内置类型是几乎一样的
	int* p3 =(int*) malloc(sizeof(int));
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

	//创建10个对象
	A* p5 =(A*) malloc(sizeof(A) * 10);
	//调用10次默认构造,把数组中的每个对象都初始化
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	//把数组释放,每个对象都调用析构函数
	delete[] p6;

	return 0;
}

 运行结果如下：

 再来看一个例子：

三、operator new 与 operator delete 函数

3.1 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，opertator 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在底层调用operator delete 全局函数来释放空间。

注意：这2个函数不是new和delete的重载函数！！！

虽然函数名中带operator，但并不是重载函数，具有很强的误导性。

/*
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 bytes
	void* 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_FINALLY
		return;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述2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，如果失败则执行用户提供的应对措施。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。就像引用的底层也是用指针的方式实现的。

需要注意，构造函数和析构函数不是通过这2个函数来调用的。

四、new和delete的实现原理

4.1 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。

4.2 自定义类型

（1）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

（2）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

（3）new T[N]的原理

• 调用operator new[]函数，而operator new[]函数实际上又会调用operator new函数完成N个T类型对象空间的申请
• 在申请的空间上执行N次构造函数

（4）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[]函数，而operator delete[]函数又会调用operator delete函数来释放空间

五、定位new表达式

定位new表达式用于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。

大部分情况下，我们直接使用new来给对象分配空间。

但是有时候需要进行性能优化，我们会直接从内存池中拿空间，使用malloc开空间。

平时我们需要分配空间时从操作系统--堆上开空间，每次有需求就要开一次，但是内存池一次从堆上拿走一个内存块（大块空间），就不需要我们重复的去申请，减少了与堆的交互，提升了效率。

如果是自定义的对象，对于malloc出来的空间，则需要使用定位new来显示的调用构造函数进行初始化。

使用格式：

构造函数不需要传参时：new（指针）类名

构造函数需要传参时：new（指针）类名（参数）

例如：

 或者：

销毁的方式：

六、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，[]中指定对象的个数即可
4. malloc的返回值是void*，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，不会调用构造函数和析构函数，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

七、内存泄漏

7.1 定义及危害

①什么是内存泄漏：内存泄漏是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

②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 内存泄漏分类（了解）

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

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的内存没有被释放，那么以后这部分的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。

7.3 如何检测内存泄漏（了解）

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;
}


// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.