【C++】：内存管理

stackY、2023-10-13 12:43

朋友们、伙计们，我们又见面了，本期来给大家解读一下有关Linux的基础知识点，如果看完之后对你有一定的启发，那么请留下你的三连，祝大家心想事成！

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目录

[1. C/C++内存分部](#1. C/C++内存分部)

[2. C语言中动态内存管理方式](#2. C语言中动态内存管理方式)

[3. C++内存管理方式](#3. C++内存管理方式)

[3.1 new/delete操作内置类型](#3.1 new/delete操作内置类型)

[3.2 new/delete操作自定义类型](#3.2 new/delete操作自定义类型)

[4. operator new与operator delete函数](#4. operator new与operator delete函数)

[5. new和delete的实现原理](#5. new和delete的实现原理)

[5.1 内置类型](#5.1 内置类型)

[5.2 自定义类型](#5.2 自定义类型)

[6. 定位new（了解）](#6. 定位new（了解）)

[6.1 malloc/free和new/delete的区别](#6.1 malloc/free和new/delete的区别)

[7. 内存泄漏](#7. 内存泄漏)

[7.1 内存泄漏的分类](#7.1 内存泄漏的分类)

[7.2 检测内存泄露](#7.2 检测内存泄露)

[7.3 如何避免程序泄露](#7.3 如何避免程序泄露)

1. C/C++内存分部

先来看一道填空题：

cpp 复制代码 
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？① staticVar在哪里？② num1 在哪里？③ | staticGlobalVar在哪里？_④___localVar在哪里？⑤ |

|----------------------------------------------|-------------------------------------------------|
| char2在哪里？① pChar3在哪里？② ptr1在哪里？③ | *char2在哪里？_④*pChar3在哪里？⑤*ptr1在哪里？⑥ |

  1. 填空题：

sizeof(num1) = ①;

sizeof(char2) = ②; strlen(char2) = ③;

sizeof(pChar3) = ④; strlen(pChar3) = ⑤;

sizeof(ptr1) = ⑥;
解析：

1. 选择题：

①C ②C ③A ④C ⑤A

①A ②A ③A ④A ⑤D ⑥B

2. 填空题：

①40 ②5 ③4 ④4 or 8 ⑤4 ⑥4 or 8

2. C语言中动态内存管理方式

C语言动态内存管理主要是通过malloc，calloc，realloc再搭配上free来使用的，但是我们知道C语言动态开辟时需要知道类型和大小，并且还需要进行返回值的判断，所以，在某种程度上也带来了不方便。

cpp 复制代码 
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);
}

这里是不需要释放p2的，因为p3扩充的目标就是p2。

3. 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

cpp 复制代码 
void Test()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	//动态申请10个int类型的空间
	int* ptr2 = new int[10];

	//动态申请一个int类型空间，并且初始化为0
	int* ptr3 = new int(0);

	//释放
	delete ptr1;

	delete[] ptr2;

	delete ptr3;
}

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。如果不匹配使用这种结果是未定义的。

3.2 new/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()
{
	//malloc
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (p1 == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	//new
	A* p2 = new A(1);

	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 5);
	if (p3 == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	A* p4 = new A[10];


	free(p1);
	delete p2;
	free(p3);
	delete[] p4;

	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。

4. 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。

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，如果该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。
在这里演示一下抛异常（关于异常后续会进行讲解）：

cpp 复制代码 
int main()
{
	//直接开辟是会崩溃
	//char* ptr = new char[0x7fffffff];
	//抛异常处理
	try
	{
		char* ptr = new char[0x7fffffff];

		//抛异常之后下面的程序不会执行，直接跳转至catch
		cout << (void*)ptr << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

抛异常也可以进行间接性处理：

cpp 复制代码 
void func()
{
	char* ptr = new char[0x7fffffff];

	//抛异常之后下面的程序不会执行，直接跳转至catch
	cout << (void*)ptr << endl;
}
int main()
{
	//直接开辟是会崩溃
	//char* ptr = new char[0x7fffffff];
	//抛异常处理
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

如果没有异常将正常执行程序，但是不会进入catch中，这种抛异常的方法比较类似C语言阶段提到过的goto语句。

5. 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

    1. 调用operator new函数申请空间
    1. 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
    1. 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
    1. 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
    1. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

6. 定位new（了解）

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 
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));
	//显示的调用构造函数
	//p1->A(1);  //这样子写是不支持的
	new(p1)A(1); // 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;
}

6.1 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
    1. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
    1. 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
    1. 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
    1. 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
    1. 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

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。

cpp 复制代码 
void Func()
{
	try
	{
		char* ptr = new char[0x7fffffff];
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
}

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;
}

7.1 内存泄漏的分类

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。

7.2 检测内存泄露

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[10];
    // 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。

7.3 如何避免程序泄露

  1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范， 申请的内存空间记得匹配的去释放。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。
  2. 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。

朋友们、伙计们，美好的时光总是短暂的，我们本期的的分享就到此结束，欲知后事如何，请听下回分解~，最后看完别忘了留下你们弥足珍贵的三连喔，感谢大家的支持！

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