【C++】Chapter02 内存管理

Chapter02：内存管理

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。
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.

在以往的C语言中，我们一般使用malloc、calloc、realloc来进行内存管理；在C++中，虽然也可以继续兼容使用，但是难免会觉得用起来过于复杂和繁琐，所以C++中一般使用以下的两个操作符进行动态内存管理。

new和delete介绍

new、delete是操作符，而C语言中的mallo等是函数。

在 C++ 中，new 和 delete 是用于动态内存管理的运算符，它们的作用如下：

• new 关键字在堆（heap）上分配内存，并返回指向该内存的指针。
• delete 关键字释放由 new 分配的内存，避免内存泄漏。

操作内置类型

 void Test()
 {
     // 动态申请一个int类型的空间
     int* ptr4 = new int;
     
     // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
     int* ptr5 = new int(10);
     
     // 动态申请10个int类型的空间
     int* ptr6 = new int[10];
    
     delete ptr4;
     delete ptr5;
     delete[] ptr6;
 }

申请和释放单个元素的空间，使用new和delete；

申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]。

注意，要匹配起来使用。

同时，对于内置类型不会自动调用构造函数和析构函数，需要自己显式调用。（下面会具体解释为什么这么说）

操作自定义类型

在自定义类型中，new/delete和malloc/free的最大区别是前者除了开辟和释放空间，还会调用构造函数和析构函数。

class A
{
public:
 	A(int a = 0)
 	: _a(a)
	{
 		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
 		cout << "~A():" << this << 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;
}

new/delete的实现过程和调用顺序

我们先来分析下两个运算符的实现过程。

1. new 运算符

• new 先计算所需的内存大小，然后调用全局 operator new(size_t size) 来分配内存（通常调用 malloc）。
• 分配内存后，会自动调用构造函数完成对象的构造。
• 如果 new 分配失败，会抛出 std::bad_alloc 异常（除非使用 new(std::nothrow)）。

2. delete 运算符

• delete 先调用析构函数，完成对象中资源的清理工作。
• 然后调用 operator delete(void* ptr) 来释放内存（通常调用 free）。

3. 数组的 new[] 和 delete[]

int* arr = new int[5];   // 分配 5 个 int
delete[] arr;            // 释放数组

• 对于 new[]，调用顺序稍有不同：

1. operator new[] 分配一块足够大的内存（通常包含额外的空间来存储数组大小）。
2. 依次调用每个对象的构造函数。
3. 返回指向数组第一个元素的指针。

• 对于 delete[]：

1. 依次调用每个对象的析构函数（按照创建顺序的逆序）。
2. operator delete[] 释放内存。

从上述过程我们可以得知，看似很简单使用的new/delete，实际上底层还是调用了C语言中的malloc/free，是通过封装成以下两个函数来进行实现的。

底层原理：operator new与operator delete

operator new

底层实现如下：

/*
 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);
}
/*

通过上述可知，new实际上最终是通过全局函数operator new来实现释放空间，而operator new又是通过malloc来实现功能的。

由于底层函数有抛异常操作，所以不再需要自己实现检测异常

operator delete

底层实现如下：

//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;
}

通过上述可知，delete实际上最终是通过全局函数operator delete来实现释放空间，而operator delete又是通过free来实现功能的。

重载 operator new 和 operator delete

• C++ 允许用户自定义 operator new 和 operator delete 来控制内存分配策略：

void* operator new(size_t size) {
    std::cout << "Custom new\n";
    return malloc(size);
}

void operator delete(void* ptr) {
    std::cout << "Custom delete\n";
    free(ptr);
}

• 这样可以实现内存池等优化策略。

与 直接使用malloc/free 的区别

• malloc/free 只负责分配和释放内存，不会调用构造和析构函数。
• new/delete 在 malloc/free 基础上增加了对象生命周期管理。

为什么 new 和 delete 的调用顺序是反的？

new 和 delete 的调用顺序是反的，这是由 内存管理和对象生命周期 决定的。

• new 先分配内存，后调用构造函数，保证对象有空间可用。
• delete 先调用析构函数，后释放内存，防止析构函数访问已释放的内存。
• 数组的 new[] 和 delete[] 额外存储数组大小，析构时按照 逆序 释放。

malloc/free和new/delete的区别

共同点：都是从堆上申请空间，且需要用户手动释放。

不同点：

• malloc和free是函数，new和delete是操作符
• malloc申请的空间不会初始化，new会初始化
• 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
• 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
• 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，new将会捕获异常
• 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

补充：定位new（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

格式：

new(place_address)type

or

new (place_address) type(initializer-list)

注意：place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表。

定位new一般配合内存池使用。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用构造函数进行初始化。

如何合作

内存池管理内存，而定位 new 负责在分配的内存上构造对象。

• 内存池 负责 分配/释放原始内存块。
• 定位 new 负责 在内存池分配的内存上构造对象，而不重新分配。

示例：内存池 + 定位 new

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()
 {
    // p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
    p1->~A();  //手动调用析构函数
    free(p1);
 
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);
     return 0;
 }

关键点

1. 内存池分配内存（但不调用构造函数）。
2. 定位 new 在内存池的地址上构造对象（手动调用构造）。
3. 手动调用析构函数，否则对象不会被正确销毁。
4. 内存池回收内存（但不调用 delete，而是直接管理内存块）

内存泄漏

内存泄漏是有那位疏忽或者错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况（例如未free或者delete）。

内存泄漏并不是指内存在物理上的消失或者泄漏，而是说失去了对该段内存的控制，会导致这段内存不再被使用，从而造成内存浪费。

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。

常见的内存泄漏

堆内存泄漏

使用malloc/new等获取的堆中内存，使用完后没有调用相应的free/delete来释放，会导致这部分空间今后无法再次使用（Heap leak）。

系统资源泄漏

程序使用系统分配的资源，比如文件描述符、管道等，没有使用相应的函数释放。

如何检测内存泄漏

使用编译器自带的内存泄漏检测函数，但一般只能检测出大致信息，无法给定较为准确的位置信息。

https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51959654

https://blog.csdn.net/GZrhaunt/article/details/56839765

https://www.cnblogs.com/liangxiaofeng/p/4318499.html

如何避免内存泄漏？

• 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：这个是理想状态。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。
• 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
• 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。
• 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。