C/C++内存管理

admin • 2022-06-03 12:18 • C/C++

要正直地生活，别想入非非！要诚实地工作，才能前程远大。

文章目录

?1. C/C++内存分布
?2. C++内存管理方式
- ?2.1 new/delete操作内置类型
- ☀️2.2 new和delete操作自定义类型
⚡️3 operator new与operator delete函数
- ?3.1 operator new与operator delete函数
- ?3.2 operator new与operator delete的类专属重载
?4 new和delete的实现原理
- ?4.1 内置类型
- ?4.2 自定义类型
?5.定位new表达式(placement-new)
?6. malloc/free和new/delete的区别
?7. 内存泄漏
- ?7.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
- ?7.2 内存泄漏分类（了解）

?1. C/C++内存分布

我们来看一看以下代码的变量分别存在哪？

选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
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？____

#include <iostream>
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);
}

局部变量都开在函数栈帧上，这个题简单，秒选。需要注意的是char2是一个数组(做值的话代表的是首元素的地址)，数组的空间在Test的函数栈帧上已经开辟好了，然后再把常量字符串"abcd"拷贝过来，所以*char2指向的内容也在栈上，这是语法性质决定的。而pchar3是一个指针，指向代码段的常量字符串"abcd"。

?2. 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。

?2.1 new/delete操作内置类型

我们先来看一下new的几种用法：

1. new 1个int对象
int *p1 = new int;
2. new 多个int对象
int *p2 = new int[10];
3. new 1个int对象,初始化成10
int *p3 = new int(10);
4. new 多个int对象并初始化，C++11的特性
int *p4 = new int[10]{10,9,8,7};

用起来很方便，也不用像C语言那样强转了：

new出来的对象用delete来释放，释放单个元素的空间，使用delete操作符，释放连续的空间，使用delete[]，如果不匹配，可能会报错。

delete p1;
delete[] p2;
delete p3;
delete[] p4;

☀️2.2 new和delete操作自定义类型

注意：对于内置类型，用malloc和new，除了用法不同，没有什么区别。他们的区别在于自定义类型。
C语言链表开新节点：

#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;

	int _val;

	ListNode(int val = 0)
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _val(val)
	{}
};

struct ListNode* BuyListNode(int x)
{
	struct ListNode* node = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	assert(node);
	node->_next = NULL;
	node->_prev = NULL;
	node->_val = x;
	return node;
}

C++直接new就可以了：

int main()
{
	//ListNode* n1 = BuyListNode(1);
	ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	assert(n1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);
	return 0;
}

malloc只开空间不初始化，所以C语言要写一个BuyListNode来开空间并初始化。new会直接去调用链表节点的构造函数。

而且C++不需要检查，malloc失败了是返回空指针，new失败了是抛异常。

再比如我们写了一个栈：

class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 0)
	{
		cout << "Stack(int capacity)" << endl;
		_a = new int[capacity];
		_capacity = capacity;
		_top = 0;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
	}

	void Push(int x)
	{}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

我们定义一个栈，用new还是malloc，delete还是free有没有什么区别呢？
ok，我们把两种方式都写一遍，借助调试帮助大家理解。

int main()
{ 
	Stack* ps1 = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
	assert(ps1);
	Stack* ps2 = new Stack;
	free(ps1);
	delete ps2;

	return 0;
}

ps1、ps2都是一个指针，它们指向一段动态开辟的空间。
new会开空间并初始化(通过调构造函数)，new其实开了两段空间，第一个Stack是new开的，Stack里的数组是new去调用构造函数开的。
ps1是malloc的，不会初始化(想初始化也很难，因为栈的成员变量是私有的，而构造函数不能显示调用)。

那delete又会去干什么事情呢？

free是直接把ps1指向的空间干掉。
delete为了防止内存泄漏，会先调用栈的析构函数清理资源，再释放外层的栈空间。

其实C语言也会存在这样的问题，像我们学习数据结构阶段刷过的一道题：两个栈实现队列就是这样。
而用C++写就不用这么麻烦：

new会把MyQueue的空间开好，MyQueue的默认构造函数会去调用Stack的构造函数。
而delete会先调用MyQueue的默认析构函数，MyQueue的默认析构函数会调用Stack的析构函数清理栈的资源，再释放MyQueue的空间。

⚡️3 operator new与operator delete函数

?3.1 operator new与operator delete函数

operator new和operator delete不是重载，而是C++的两个库函数。
new在底层调用operator new函数来申请空间，delete在底层通过operator delete函数来释放空间。

operator new、operator delete和malloc、free功能一样，只是失败了之后会抛异常。
所以operator new和operator delete是没有直接价值的，但是有间接价值：new和delete的底层原理。

?3.2 operator new与operator delete的类专属重载

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。

struct ListNode
{
		ListNode* _next;
		ListNode* _prev;
		int _data;
	void* operator new(size_t n)
	{
		void* p = nullptr;
		p = allocator<ListNode>().allocate(1);
		cout << "memory pool allocate" << endl;
		return p;
	}
	void operator delete(void* p)
	{
		allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
		cout << "memory pool deallocate" << endl;
	}
};

class List
{
public:
List()
{
	_head = new ListNode;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}
~List()
{
	ListNode* cur = _head->_next;
	while (cur != _head)
	{
		ListNode* next = cur->_next;
		delete cur;
		cur = next;
	}
	delete _head;
	_head = nullptr;
}
private:
ListNode* _head;
};

int main()
{
	List l;
	return 0;
}

很形象的一个例子，重复地向堆区申请空间，就相当于每月向妈妈要生活费。而内存池就相当于我们自己的钱包，妈妈每个月算好钱打到我们的钱包，我们自己拿钱(相当于向内存池申请空间)就要快得多。

?4 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

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

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

new T[N]的原理

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

在申请的空间上执行N次构造函数

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[]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

class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 0)
	{
		cout << "Stack(int capacity)" << endl;
		_a = new int[capacity];
		_capacity = capacity;
		_top = 0;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
	}

	void Push(int x)
	{}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack* obj = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
	// 针对一个空间，显示调用构造函数初始化
	new(obj)Stack(4);

	return 0;
}

其等价于Stack *obj = new Stack(4);所以我们平时也不会这样写。
使用场景：
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，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。

?6. 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：

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可以初始化
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
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，但是new需要捕获异常
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

?7. 内存泄漏

?7.1 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。(实际上是指针丢了，找不到动态开辟的空间)。
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 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(Heap leak)
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内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
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。

本图文内容来源于网友网络收集整理提供，作为学习参考使用，版权属于原作者。

THE END

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