C/C++内存管理

Le-Code2024-05-29 7:08

【本节内容】

目录

[1. C/C++内存分布](#1. C/C++内存分布)

[2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free](#2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free)

[3. C++内存管理方式](#3. C++内存管理方式)

[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)

[6. 定位new表达式(placement-new)](#6. 定位new表达式(placement-new))

[7. 内存分布常见面试题](#7. 内存分布常见面试题)

1. C/C++内存分布

C/C++程序在运行时，其内存可以分为以下几个部分：

  1. 代码区：存储程序的二进制代码。
  2. 数据区：存储全局变量、静态变量等数据。数据区又可以分为初始化的数据区和未初始化的数据区（如bss段）。
  3. 堆区：动态分配的内存区域，用于存储通过malloc、calloc、realloc等函数分配的内存。
  4. 栈区：存储局部变量和函数调用的信息。

了解了内存分布后我们先来看下面的一段代码和相关问题：

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
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？____ staticVar在哪里？____ num1 在哪里？____ | staticGlobalVar在哪里？____ localVar在哪里？____ |

|-------------------------------------------|------------------------------------------------|
| char2在哪里？____ pChar3在哪里？____ ptr1在哪里？____ | *char2在哪里？___ *pChar3在哪里？____ *ptr1在哪里？____ |

  1. 填空题：

sizeof(num1) = ____；

sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;

sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;

sizeof(ptr1) = ____;

  1. sizeof 和 strlen 区别？

​

很多人看到这些题可能会陷入懵逼之中，但是仔细分析其实也没那么困难，下面就听我娓娓道来。

​

​

​

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

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);
}

  1. malloc:

    • 函数原型：void *malloc(size_t size);
    • 功能：分配指定大小的内存块。
    • 返回值：返回一个指向新分配内存的指针，如果内存不足，则返回NULL。
    • 特点：分配的内存块的初始内容是未定义的，可能包含任意垃圾值。

  2. calloc:

    • 函数原型：void *calloc(size_t num, size_t size);
    • 功能：分配足够存储一个数组的内存，数组的每个元素都初始化为0。
    • 返回值：返回一个指向新分配内存的指针，如果内存不足，则返回NULL。
    • 参数：num是数组中的元素数量，size是每个元素的大小。
    • 特点：calloc会分配num * size大小的内存，并将所有字节初始化为0。

  3. realloc:

    • 函数原型：void *realloc(void *ptr, size_t new_size);
    • 功能：调整之前通过malloc或calloc分配的内存块的大小。
    • 返回值：如果成功，返回指向重新分配（可能移动）内存的指针；如果失败，返回NULL。
    • 参数：ptr是之前分配的内存块的指针，new_size是新的内存大小。
    • 特点：如果new_size大于当前大小，realloc可能会分配新的内存并复制旧数据到新内存，然后释放旧内存；如果new_size小于或等于当前大小，realloc可能只是调整内存大小而不移动内存块。

  • 在使用realloc之后，原始的指针p2不再有效，因为realloc可能会返回一个新的指针指向重新分配的内存。因此，如果realloc成功，应该使用新返回的指针p3。

  • 至于是否需要free(p2)，这取决于realloc的返回值。如果realloc成功并返回了一个新的指针，那么应该使用free(p3)来释放新分配的内存。原始的p2指针在realloc调用后不再指向有效的内存，因此不应该对它调用free。如果realloc失败并返回NULL，则应该继续使用p2，并在适当的时候使用free(p2)来释放内存。

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* 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;
}

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

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语言
	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。

4. operator new与operator delete函数

4.1 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。

底层实现：

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);
}
cpp 复制代码 
/*
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;
}
cpp 复制代码 
/*
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 。

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

  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

6. 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 
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;
}

7. 内存分布常见面试题

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，

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

  2. 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

  3. 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。

cpp 复制代码 
void main()
{
	// 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

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 如何检测内存泄漏（了解）

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

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。

7.2.4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。

  1. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。

  2. 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。

  3. 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。

PS：看到这里了，码字不易，给个一键三连鼓励一下吧！有不足或者错误之处欢迎在评论区指出！

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