C/C++内存管理(new&&delete)

C/C++内存管理 new&&delete

• 1.内存的区域划分
• 2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
• • [2.1 malloc](#2.1 malloc)
  • 2.2calloc
  • 2.3realloc
  • [2.4 free](#2.4 free)
• [3. C++内存管理方式](#3. C++内存管理方式)
• • 3.1new/delete操作内置类型
  • [3.2 operator new与operator delete函数](#3.2 operator new与operator delete函数)
• 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
• 6.常见的面试题
• • 6.1malloc/free和new/delete的区别
  • 6.2内存泄漏
  • 6.3内存泄漏分类
  • 6.4如何避免内存泄漏

1.内存的区域划分

【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。（局部变量储存在这里）
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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3. 堆 用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。（动态开辟的变量储存在这里）
4. 数据段（静态区） --存储全局数据和静态数据。
5. 代码段（常量区） --可执行的代码/只读常量。

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

2.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

 void* malloc (size_t size);

• 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。
  如果开辟成功 ，则返回一个指向开辟好空间的指针 。

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。

• 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。(强转成指针的类型)
• 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。

2.2calloc

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：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 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。
• 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。

2.3realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

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。那么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：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 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。
• 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

2.4 free

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：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 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。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

【面试题】

1. malloc/calloc/realloc的区别？
   2.malloc的实现原理？glibc中malloc实现原理

例题：

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(字符数组数组名) 和 strlen（字符数组数组名） 区别？

3.区别是：sizeof计算的是数组的大小 （包括%0 ），strlen计算的是从数组首个元素到元素为"%0"之间的元素个数 （不包含%0）

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。

3.1new/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;
  //new只是单纯的开辟空间，不会初始化开辟的空间


  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr5 = new int(10);
  
  int* ptr6=new int[3]{1,2,3}//动态申请多个int类型的空间并初始化为。用花括号{ }
  
  int* ptr7=new int[10]{1,2,3}
  //不完全初始化开辟的空间，其余未被初始化的空间会被赋值为0
  
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[3];
  
  //释放开辟的空间
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
  delete[] ptr7;
}

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。
这里我们可以看到new/delete与malloc/realloc/calloc/free只是从用法上有区别，在底层上并没有什么区别，那祖师爷为什么还要设计new/delete呢？

原因：在C++中有类与对象这个概念，而C语言的动态开辟不能很好的对类使用。这里我们通过举一个例子说明原因。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
private:
	int _a;
public:
	A(int a = 1)
		: _a(a)
	{
		cout << "构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "析构函数" << endl;
	}
};
int main()
{

	// new/delete 和 malloc/free最大区别是:
	//new/delete对于【自定义类型】除了开空间自动还会调用构造函数和析构函数。
	//而malloc/free只会开辟空间，释放空间。

//因为构造函数与析构函数无法显示的调用，
//导致了malloc不方便解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题
	A* c = (A*)malloc(sizeof(A));
	
	A* c2 = new A;//这里需要强调，A必须具有构造函数，否则会报错
	free(c);
	delete(c2);

	//内置类型几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); //C
 int* p4 = new int;
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

3.2 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。operatordelete 最终是通过free来释放空间的。

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

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

3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
4. 调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理

5. 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
6. 在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

7. 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
8. 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

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;
}

6.常见的面试题

6.1malloc/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

6.2内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？

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。

6.3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。

6.4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。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。