C++内存管理

文章目录

• 一、C++内存分布
• 二、C语言中动态内存的管理方式
• • malloc/calloc/realloc/free
• 三、C++内存管理方式
• • 3.1 new和delete操作内置类型
  • 3.2 new和delete操作自定义类型
• 四、operator new与operator delete函数
• 五、new和delete的实现原理
• • 5.1 内置类型
  • 5.2 自定义类型
• 六、定位new表达式(placement-new)
• 七、常见面试题
• • 7.1 malloc/free和new/delete的区别
  • 7.2 内存泄漏
  • • 7.2.1 什么是内存泄漏？内存管理的危害？
    • 7.2.2 内存泄漏的分类
    • 7.2.3 如何避免内存泄漏
  • 7.3 如何在堆上一次申请4G的空间

一、C++内存分布

说明

①栈——又叫堆栈，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IO映射方式
③堆——用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的
④数据段——存储全局数据和静态数据
⑤代码段——存储可执行代码和常量

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

通过这几个函数来管理

三、C++内存管理方式

C++中兼容C语言的内存管理方式，但是有时会显得比较麻烦。因此提出了：new和delete操作符进行动态内存管理

3.1 new和delete操作内置类型

int main()
{   //申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	//申请一个int类型的空间，同时初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);

	//申请10个int类型的空间，并赋初始值
	int* ptr3 = new int[10]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

	//销毁
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	return 0;
}

注意：

1. 申请和释放空间时，两个操作符要相互匹配，new和delete一组，new[ ]和delete[ ]一组
2. 注意数据的类型，我们之前可以知道去掉名字，剩下的就是类型，这里的ptr3类型就是int[10]，里面存的数据才是int类型
3. 对于内置类型的空间申请和释放，C语言和C++没有什么太大的区别，即过程和结果一样

3.2 new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():"<
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};

我们先来看看C语言对于自定义类型的申请和释放：

void test1()
{
	//申请一个Test类型对象
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);

	//申请10个Test类型对象
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test) * 10);
	free(p2);
}

再来看看C++对于自定义类型的申请和释放：

void test2()
{
	//申请一个Test类型对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;

	//申请10个Test类型对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[] p2;//注意带上方括号
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new会先开空间再调用构造函数，delete会先调用析构函数，再释放空间给堆上，而malloc与free不会有相同的机制

总结：C++提出new和delete主要解决两个问题

1. 自定义类型对象自动申请的时候，初始化和清理问题。new/delete会调用构造和析构函数
2. new失败以后要求抛异常，这样才符合面向对象语言的出错机制

ps：delete和free一般都不会失败，如果失败了，都是释放空间上存在越界或者释放指针的位置不对

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与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和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一样

void test()
{
	int* p1 = (int*)operator new (sizeof(int));
	operator delete(p1);

	int* p2 = (int*)operator new (sizeof(int));
	free(p2);
}

实际上operator new通过malloc来申请空间，如果malloc申请成功就直接返回，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最终通过free来释放空间的。（抛异常我们后续再慢慢理解，此处只需要知道）

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，new和malloc，delete和free基本类似。
不同点：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete[ ]申请的是连续的空间，而且new在申请失败时会抛异常，malloc失败会返回NULL。

5.2 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在空间上先执行析构函数，完成对象中资源的清理

②调用operator delete函数释放空间

new T[N]的原理

①operator new[ ]中实际调用operator new函数完成对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在释放的对象的空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理

②operator delete[ ]中实际调用operator delete来释放空间

六、定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已经分配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 Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}

private:
	int _data;
};
void test()
{  
	//pt现在指向的只不过是与Test对象相同大小的一块空间，但是黑不能算一个对象，因为构造函数没有执行
	Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));

   //注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
	new(pt) Test;
   
   //析构函数可以显式调用
    pt->~A();
    operator delete(pt);

}

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：
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
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

7.2 内存泄漏 7.2.1 什么是内存泄漏？内存管理的危害？

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 内存泄漏的分类

C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏
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

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:

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。

7.3 如何在堆上一次申请4G的空间

#include 
using namespace std;
int main()
{
	void* p = new char[0xfffffffful];
	cout << "new:" << p << endl;
	return 0;
}

该程序需要在64位平台下执行，8f的10进制就是4G，ul就是unsigned long int的意思