【C++】内存管理

写在前面

本篇笔记主要是在语言层面进行对C++代码所对应的内存进行讲解。虽然在操作系统中，我们的代码运行时是在线程中以虚拟地址配合页表来来访问物理地址，但是本篇笔记并不谈操作系统层面的理解。只是在宏观的语言层面上来分析C++中的内存管理，或者说是在CPU运行C++的可执行程序的角度上来了解C++内存管理。

一、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";
	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);
}

其中上面代码在内存中对应的区域是(如下图)：

【说明】

1. 栈：又叫堆栈，用于存储非静态局部变量/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。

顺便提一下：为什么说栈是向下增长的，而堆是向上增长的？

简单来说，在一般情况下，在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低。这样就可以避免在两个空间段相邻时，某个空间段的空间不足，无法向外扩充空间的问题。

我们验证一下栈、堆空间的地址是否按照上面我们的规律来创建。

因为在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，所以打印出来a的地址大于b的地址；在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低，所以c指向的空间地址小于d指向的空间地址。

注意：在堆区开辟空间，后开辟的空间地址不一定比先开辟的空间地址高。因为在堆区，后开辟的空间也有可能位于前面某一被释放的空间位置。

二、C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free

这里不才不多说，C语言的动态开辟内存函数，在堆中开辟的函数都是很纯粹的开辟空间，但也只是开辟空间，其他动作是一个没有。具体可以看不才写的：【C语言】动态内存开辟

三、C++中动态内存管理方式

首先，C语言内存管理的方式在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，比如类对象在堆中的动态内存开辟，需要malloc创建空间后，又需要我们程序猿手动进行构造构造函数的封装。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。

不才先说使用后讲原理。

3.1、new/delete操作内置类型

一、动态申请单个某类型的空间

	//动态申请单个int类型的空间
	int* p1 = new int; //申请
	
	delete p1; //销毁

在开辟空间上的作用等价于：

	//动态申请单个int类型的空间
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请

	free(p2); //销毁

二、动态申请多个某类型的空间

	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[10]; //申请

	delete[] p3; //销毁

在开辟空间上的作用等价于：

	//动态申请10个int类型的空间
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	
	free(p4); //销毁

三、动态申请单个某类型的空间并初始化

	//动态申请单个int类型的空间并初始化为10
	int* p5 = new int(10); //申请 + 赋值

	delete p5; //销毁

在开辟空间上的作用等价于：

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
	*p6 = 10; //赋值

	free(p6); //销毁

四、动态申请多个某类型的空间并初始化

	//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
	int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申请 + 赋值

	delete[] p7; //销毁

在开辟空间上的作用等价于：

	//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
	int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	for (int i = 0; i < 10; i++) //赋值
	{
		p8[i] = i;
	}

	free(p8); //销毁

如下图总结：

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[ ]。

3.2、new和delete操作自定义类型

为了更好的理解new和delete在C++中的特性，我们创建一个自定义类型来演示。

class Test
{
public:
	Test() //默认构造函数
		:_a(0)
	{
		cout << "默认构造函数" << endl;
	}
	
	Test(int a) //构造函数
		:_a(a)
	{
		cout << "普通构造函数" << endl;
	}
	~Test() //析构函数
	{
		cout << "析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

一、动态申请单个类对象的空间
用new和delete操作符：

	Test* p1 = new Test; //申请
	
	delete p1; //销毁

用malloc和free函数：

	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)); //申请
	
	free(p2); //销毁

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会自动调用析构函数，而malloc和free不会。
在上面的new和delete代码段中，new调用的是默认构造函数，其性质和在堆中创建临时对象是一致的，如：Test p1;在p1后面不用加上()。

二、动态申请单个类对象的空间 并且 调用普通构造函数

int main() {
	Test* p1 = new Test;
	//动态申请单个int类型的空间
	Test* p3 = new Test(10); //申请

	delete p1; //销毁
	return 0;
}

运行结果如下图：

在上述代码段中，我们使用C语言编写就非常麻烦，因为C语言想要达到new的动作，就需要封装，把动态开辟和初始化工作封装在一个函数中才能实现。

三、动态申请多个类的空间

用new和delete操作符：

	Test* p3 = new Test[10]; //申请
	
	delete[] p3; //销毁

调用的是默认构造，如下图：

四、C++11的{}语法特性：动态申请多个类的空间 并且 调用指定构造函数

int main() {
	//动态申请单个int类型的空间
	Test* p3 = new Test[2]{ { 10 }, { 2 } }; //申请

	delete[] p3; //销毁
	return 0;
}

如下图：

这时C++11的语法特性，需要注意的是在老的编译器中是无法运行的。我们知道在C++中单参数构造函数默认支持隐式类型转换，此时C++11使用{}把多种的参数列表汇聚成为一份形成隐式构造函数。所以通过C++11的语法特性，我们就可以完成：动态申请多个类的空间 并且 调用指定构造函数。更多细节请跳转不才编写的文章：【C++】构造函数与析构函数

总结一下：

1. C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
2. 如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
3. 建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。_{（其实熟悉特性后一切都是你自由发挥，不过就是工作量大与小的区别了…😆）}

3.3、operator new和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，那在上面不才提到new和delete的使用中为什么new和delete可以为任何类型开辟空间？

那是因为在C++的底层中为我们重载了new。 即 operator new和operator delete是系统提供的全局函数，new和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。

	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申请
	
	operator delete(p1); //销毁

其作用等价于:

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	
	free(p2); //销毁

不才画个内存草图。下图可以详细地看new和operator new在底层中的关系。

实际上，operator new的底层是通过调用malloc函数来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回；若申请空间失败，直接抛异常，如果该应对措施用户设置了，则尝试执行空间不足的应对措施，否则逐层抛异常直到程序初始入口中接收异常并终止程序 _{(不才在异常处理机制中会深度解剖)}。
而 operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的。

在上图中我们也知道了 new和delete为什么可以在动态开辟空间时候调用类的构造函数。

注意： 虽然说operator new和operator delete是系统提供的全局函数，但是我们也可以针对某个类，重载其专属的operator new和operator delete函数，进而提高效率。

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/delete和malloc/free基本类似，不同的是，new/delete申请释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete [ ]申请释放的是连续的空间，此外，malloc申请失败会返回NULL，而new申请失败会抛异常。

4.2、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[ ]函数中实际调用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[ ]函数，在operator delete[ ]函数中实际调用operator delete函数完成N个对象空间的释放。

五、定位new和表达式(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)

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

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，即在线程池开辟内存中，线程池是不知道需要开辟的空间大小，需要调用者手动进行传输。
所以如果是自定义类型的对象，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0) //构造函数 
		:_a(a)
	{}

	~A() //析构函数
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//new(place_address)type 形式
	new(p1)A;//默认构造

	
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	new(p2)A(2021);//显示构造

	//析构函数也可以显示调用
	p1->~A();
	p2->~A();
	return 0;
}

注意： 在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。

六、常见的问题

6.1、malloc/free和new/delete的区别？

在内存中：
 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

在使用上：

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申请的空间会初始化。
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。
4. malloc的返回值是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申请失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判断空，new失败直接抛异常，需要使用try_catch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。

6.2、内存泄漏分类

在C/C++中我们一般关心两种方面的内存泄漏：

1、堆内存泄漏(Heap Leak)

堆内存指的是程序执行中通过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释放。假设程序的设计错误导致这部分内容没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

2、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，申请的内存空间记住匹配的去释放。
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，该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。

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。

6.3、如何一次在堆上申请4G的内存？

在堆上申请4G的内存：0xffffffff转换为十进制就是4G

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//0xffffffff转换为十进制就是4G
	void* p = malloc(0xfffffffful);
	cout << p << endl;

	return 0;
}

需要注意的是，我们需要在X64的环境下运行，因为在X32环境下，内存的大小只有4G，在堆中是不可能创建4G的。因为中有20%是系统资源，用户是无法使用的。

以上就是本章所有内容。若有勘误请私信不才。万分感激💖💖 如果对大家有用的话，就请多多为我点赞收藏吧，您的每一个点赞都是不才最大的鼓励~~~💖💖

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