C++初阶之内存分布

爱学习的鱼佬2023-07-24 19:54

C/C++内存管理

C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码 ：

cpp 复制代码 
int g_val=100;
int g_unval;

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
     printf("code addr         :%p\n",main);
     const char* p="hello";
     printf("read only         :%p\n",p);
     printf("global val        :%p\n",&g_val);
     printf("global uninit  val:%p\n",&g_unval);
     char* q1=(char*)malloc(10);
     char* q2=(char*)malloc(10);
     char* q3=(char*)malloc(10);
     char* q4=(char*)malloc(10);
     printf("heap addr         :%p\n",q1);
     printf("heap addr         :%p\n",q2);
     printf("heap addr         :%p\n",q3);
     printf("heap addr         :%p\n",q4);
 
     printf("stack addr        :%p\n",&q1);
     printf("stack addr        :%p\n",&q2);
     printf("stack addr        :%p\n",&q3);
     printf("stack addr        :%p\n",&q4);
 
     static int i=0;
     printf("static addr       :%p\n",&i);
     printf("args addr         :%p\n",argv[0]);
     printf("env addr          :%p\n",env[0]);                                                             
     return 0;                       
 }

实际输出和对应的内存分布

我在Linux进程一文当中对内存分布和虚拟内存有详细讲解，不了解的小伙伴可以去看看这篇文章：

Linux进程

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(初始化数据和未初始化数据区)--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。

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

1.malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

  1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
  2. 如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
  3. 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
  4. 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

cpp 复制代码 
void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

  1. 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
  2. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

2.calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

cpp 复制代码 
void* calloc (size_t num, size_t size);
  1. 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
  2. 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

3.realloc

  1. realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
  2. 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

cpp 复制代码 
void* realloc (void* ptr, size_t size);

  1. ptr 是要调整的内存地址

  2. size 调整之后新大小

  3. 返回值为调整之后的内存起始位置。

  4. 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间。

  5. realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

    情况1：原有空间之后有足够大的空间

    情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

4.常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

cpp 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

对动态开辟空间的越界访问

cpp 复制代码 
void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

对非动态开辟内存使用free释放

cpp 复制代码 
void test()
{
 	int a = 10;
	int *p = &a;
 	free(p);
}

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

cpp 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

对同一块动态内存多次释放

cpp 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

cpp 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记 ：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

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

cpp 复制代码 
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10个int类型的空间
    int* ptr6 = new int[3];
    
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
    
	 // C++11支持
	 A* ptr7 = new A[2]{1,2};
	 A* ptr8 = new A[2]{ A(1), A(2) };
}

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[]，匹配起来使用。

2.new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
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.new和malloc使用上的区别

以下代码在32位环境下实验，在64位环境下需开辟更大空间

malloc

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	// 失败返回NULL
	char* p1 = (char*)malloc(1024u*1024u*1024u*2 - 1);
	printf("%p\n", p1);

	return 0;
}

new

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{

		char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2 - 1];
		printf("%p\n", p2);

		delete(p2);

	return 0;
}

通过两段代码我们不难发现，两者最大的区别就是在开辟空间失败后，malloc只能返回NULL，而new抛异常，这样我们更容易发现问题存在，当然这里还不算最大的区别和其最大作用体现，他真正的作用体现在类中，下面我们会提到。

operator new与operator delete函数

1.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。（和运算符重载没关系）

我们可以看看上一段函数new和delete函数在调用时的反汇编代码

operator new与operator delete函数定义部分源码

cpp 复制代码 
/*
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。 ==

2.重载operator new与operator delete函数

没错，operator new与operator delete函数还可以自己进行重载

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};
 //重载operator new，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName, size_t lineNo)
{
	void* p = ::operator new(size);
	cout <<"new:"<< fileName << "||" << funcName << "||" << lineNo << "||" << p << "||" << size << endl;
	return p;
}

// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName, size_t lineNo)
{
	cout <<"delete:"<<fileName << "||" << funcName << "||" << lineNo << "||" << p << endl;
	::operator delete(p);
}

//#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
//#endif

int main()
{
	A* p1 = new A;
	delete(p1);

	return 0;
}

可以看到我们重载的new是会自动调用构造函数的，但是delete函数并没有调用析构函数，这是因为我们在重载的时候，宏定义改变了其调用形式，导致编译时其不认为还有delete函数的机制。

3.实现一个类专属的operator new和operator delete

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

struct ListNode
{
	int _val;
	ListNode* _next;

	// 内存池
	static allocator<ListNode> alloc;

	void* operator new(size_t n)
	{
		cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;
		void* obj = alloc.allocate(1);
		return obj;
	}

	void operator delete(void* ptr)
	{
		cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;

		alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
	}

	struct ListNode(int val)
		:_val(val)
		, _next(nullptr)
	{}
};

//allocator在STL后才会提到，这里我们先不探讨它
allocator<ListNode> ListNode::alloc;

int main()
{
	// 频繁申请ListNode. 想提高效率 -- 申请ListNode时，不去malloc，而是自己定制内存池
	ListNode* node1 = new ListNode(1);
	delete node1;

	return 0;
}

这里用到了allocator，提到了内存池的概念，这个要到后面的STL才会学习，这里我们只是用这个做一个演示。利用operator new和operator delete的这种特性，我们可以为每一个类打造属于自己专属的operator new和operator delete，彼此互不干扰，且使用方式也是正常调用，如果出现内存泄漏我们也可以很好的观察到。

new和delete的实现原理

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。

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[]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

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。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

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;
}

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

内存泄漏

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。

比如：

cpp 复制代码 
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;
}

2.内存泄漏分类

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。

3.如何检测内存泄漏

在vs下，可以使用windows操作系统提供的**_CrtDumpMemoryLeaks() 函数**进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = new int[1024];
	
	// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
	_CrtDumpMemoryLeaks();
	return 0;
}


// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: <     		 	 > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

因此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。

4.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。（这是理想状态，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。（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。

结语

有兴趣的小伙伴可以关注作者，如果觉得内容不错，请给个一键三连吧，蟹蟹你哟！！！

制作不易，如有不正之处敬请指出

感谢大家的来访，UU们的观看是我坚持下去的动力

在时间的催化剂下，让我们彼此都成为更优秀的人吧！！！

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