【C++】C&C++内存管理
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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";
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)
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？____
2. 填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？
解答：
1、选择题：
globalVar 是全局变量，在静态区，选C。
staticGlobalVar 是静态变量，在静态区，选C。
staticVar 是静态变量，在静态区，选C。
localVar 是局部变量，在栈上，选A。
num1 是数组，在栈上，选A。
char2 是数组，在栈上，选A。
*char2 ：由于char2在栈上，那么‘*char2是数组第一个元素，也在栈上，选A。
pChar3 是局部变量，在栈上，选A。
*pChar3 : 由于pChar3是指针，且指向的对象是常量区的常量字符串，*pChar3 是字符串中的第一个元素，那么*pChar3在常量区，选D。
ptr1是局部变量，在栈上，选A。
*ptr1 : 由于ptr1是指针，指向的对象是malloc出来的，那么ptr1指向的对象就在堆上，*ptr1 就是对象中的第一个元素，那么*ptr1就在堆上，选B。
2、填空题
sizeof(num1) 计算的是num1数组的大小，等于每个元素的大小*有多少个元素，带入数据：4 * 10 = 40 字节。
sizeof(char2) 计算的是char2数组的大小，等于每个元素的大小*有多少个元素，char2被常量字符串"abcd"初始化，char2数组中除了有"abcd"，数组中最后一个元素还有一个隐藏的元素''带入数据：1 * 5 = 5 字节。
strlen(char2) 计算的是字符串char2的长度，扫码字符串，直到''为止，''之前有四个元素，那么可以得到结果为 4 。
sizeof(pChar3) 计算的是指针的大小，32位和64位的指针大小分别是 4 和 8，那么这里指针的大小就是 4 或 8 。
strlen(pChar3) 计算的是pChar3指向字符串的长度，与上面strlen(char2)的解释相同，那么可以得到结果也是 4 。
sizeof(ptr1) 计算的是指针的大小，那么结果就是 4 或 8。
3、sizeof 和 strlen 区别？
sizeof 是一个运算符，而不是函数，用于获取数据类型或变量的字节大小。sizeof 在编译时计算，不会执行运行时操作。
strlen 是一个函数，用于计算以空字符 '' 结尾的字符串的长度。
strlen 在运行时遍历字符串，直到找到字符串的空字符''。
二 、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
void Test()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3);
}
1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
malloc 用于分配指定大小的内存块，不进行初始化。
calloc 用于分配指定数量和大小的内存块，并初始化为零。
realloc 用于可以分配空间也可以更改先前分配的内存块的大小。
2.这里需要free(p2)吗？
不需要，如果realloc是原地扩容那么p2就是p3
如果realloc是异地扩容，那么p2指向的内容赋值给p3后就会被销毁，再次free会导致崩溃。
三、 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
3.1 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类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请3个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}
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。
3.2 new和delete操作自定义类型
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;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
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。
3.3 长度域
当我们写了析构函数并且使用new[]申请和释放连续的空间空间时，编译器会在申请空间的前面申请一个int类型的空间来存储对象个数，方便析构时知道需要析构对象的个数。这个int类型的空间被称为长度域，用于存储数组的长度。如果你使用new[]申请了一段连续的空间，那么你必须使用delete[]来释放这段空间，否则会导致内存泄漏。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = new A[10];
// 若不将析构函数屏蔽那么下面三个析构会出现的情况为
// delete p1; // 不匹配使用，程序运行崩溃
// free(p1); // 不匹配使用，程序运行崩溃
// delete (p1 - 1); //不匹配使用，程序运行正常，但调用析构函数次数不够
// free(p1-1); //不匹配使用，程序运行正常，但未调用析构函数
delete[] p1; // 匹配使用，程序运行正常
A* p2 = new A[10];
// 将析构函数屏蔽后，编译器生成默认析构函数
// 而默认析构函数没做什么事情，编译器优化
// 不在指针指向的位置前开辟空间记录申请了几个对象
// 那么析构时指针指向的位置就是开辟空间的头，可以直接析构
// 若将析构函数屏蔽那么下面三个析构会出现的情况为
// delete p2; // 不匹配使用，程序运行，由于编译器的优化
// free(p2); // 不匹配使用，程序运行，由于编译器的优化
// delete[] p2; // 匹配使用，程序运行正常
return 0;
}
不屏蔽析构函数的情况图
屏蔽析构函数的情况图
注意：不匹配使用的结果是未定义的，一定要匹配使用！！。
四、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。
五、new和delete的实现原理
5.1 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。
5.2 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
六、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：
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。
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();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
七、常见面试题
7.1 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：
- 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，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，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
总结：
- 简化用法
- 解决动态申请的自定义对象初始化问题
7.2 内存泄漏
7.2.1 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。
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;
}
7.2.2 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。
7.2.3 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。
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。
结尾
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