c&c++内存管理

前言

​ 本篇博客主要用来回顾内存管理方面所学习过的知识，因此并不会从初学者的角度讲解，前期知识可以参考博主以前有关内存管理的博客，那么废话不多说，开始我们的学习之旅。

​

c/c++内存分布

1、题目测试

​ 我们这次直接先上一段代码和其相关的问题，通过这一点，我们先了解下自己掌握的情况如何。

int Var = 1;
static int staticGVar = 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)

Var在哪里？____ staticGVar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) = ____;

3. sizeof 和 strlen 区别？

2、题目讲解

不知道你做对了几道呢？答案会在下面给出，接下来进行讲解。

【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

接下来开始公布答案，不过通过上面的图相信大家已经都明白了，我会挑几道易错的简单讲解一下。

1. cccaa adadab

2. 40 5 4 4/8 4 4/8 （指针的大小与操作系统有关，32位是4个字节，64位是8个字节）

3. sizeof是操作符，可以用来计算变量或类型所占空间的大小

   strlen是库函数，strlen计算字符串长度到遇到’\0’为止。

sizeof使用要点：

主要涉及数组名，即sizeof(函数名)是求整个数组的大小（看情况，详情可见之前的博客）。

strlen使用要点：

1、字符串以 ‘\0’ 结尾，而strlen返回的值是’\0’前的字符个数.

2、传入的参数所指向的字符串必须要以’\0’结尾，不然返回的是随机值.

3、函数的返回类型是无符号整形。

c语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc

malloc:分配一段内存空间

calloc:分配一段内存空间，但会进行初始化

realloc:改变内存空间的大小，如增大时后面的空间不够，会额外另开一块儿空间。

有关这一部分的内容详情可见博主之前所写的动态内存管理的博客，

(60条消息) c语言进阶技巧 动态内存管理_Sola一轩的博客-CSDN博客

无论是其特性还是模拟实现都有详细的介绍，这里就不过多赘述了。

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。

1、new/delete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类型空间并初始化为3
	int* ptr5 = new int(3);

	//动态申请3个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];
    
    //动态申请3个int类型的空间,并初始化为1，2，3.
    int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
    delete[] ptr7;
}

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。

2、new和delete操作自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;
class test
{
public:
	test()
	{
		arr = new int(5);
		cout << "构造函数" << endl;
	}
	~test()
	{
		delete arr;
		cout << "析构函数" << endl;
	}
private:
	int* arr;
};

int main()
{
    // new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空还会调用构造函数和析构函数,内置类型是几乎一样的
	test* test1 = new test;
	delete test1;
	return 0;
}

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

3、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，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。

/*
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。

4、new和delete的实现原理

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。

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

5、定位new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)

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

使用场景：

如果有一块儿未初始化的内存，并且是自定义类型的对象，我们可以使用new的定义表达式进行显示调用构造函数进行初始化。如内存池等。

#include <iostream>
using namespace std;
class test
{
public:
	test(int x = 5)
		: arr(x)             //初始化列表，可见类与对象
	{ }

private:
	int arr;
};
int main()
{
	test* test1 = (test*)malloc(sizeof(test));
	new(test1)test(3);
	

	return 0;
}

6、常见题目分享

1、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

2、内存泄漏相关：

内存泄漏并非内存消失，而是指针没了，无法找到分配过的内存空间了，因此无法将其归还，造成内存泄漏。

**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。

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。

结语

​ 内存管理相关的内容暂时也就分享到这里了，主要还是着重于c++中的new和delete，大家务必自己敲代码去尝试一番，如果感觉还不错的话，不妨给博主点个赞。下篇博客就是讨论讨论模板相关的问题咯，感兴趣的可以点个关注。