【C++ 面试 - 内存管理】每日 3 题（八）

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📚专栏简介：在这个专栏中，我将会分享 C++ 面试中常见的面试题给大家~

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22. delete p 和 delete[] p 的区别

在 C++ 中，delete 和 delete[] 都是用于释放通过 new 和 new[] 分配的内存，但它们的使用场景是不同的。

delete p 用于释放单个对象的内存。这意味着在使用 new 分配内存后，如果你只用一个指针指向这个对象，就应该使用 delete p 来释放内存。例如：

int* p = new int;
// 使用 p 指针操作对象
delete p; // 释放内存

delete[] p 用于释放数组对象的内存。这意味着在使用 new[] 分配内存后，如果你用一个指针指向一个数组的起始地址，就应该使用 delete[] p 来释放内存。例如：

int* p = new int[10];
// 使用 p 指针操作数组对象
delete[] p; // 释放内存

使用 delete 释放数组对象的内存或者使用 delete[] 释放单个对象的内存，会导致未定义的行为（Undefined Behavior），可能会导致内存泄漏或程序崩溃。

因此，当我们使用 new 和 new[] 分别分配单个对象和数组对象时，需要确保使用与其对应的 delete 或 delete[] 来正确释放内存，以避免内存泄漏和其他潜在问题。

23. new 和 delete 的实现原理，delete 是如何知道释放内存的大 小的？

1、 new 简单类型直接调用 operator new 分配内存；而对于复杂结构，先调用 operator new 分配内存，然后在分配的内存上调用构造函数。

对于简单类型，new[] 计算好大小后调用 operator new；

对于复杂数据结构，new[] 先调用 operator new[] 分配内存，然后在 p 的前四个字节写入数组大小 n，然后调用 n 次构造函数，针对复杂类型，new[] 会额外存储数组大小；

① new 表达式调用一个名为 operator new (operator new[]) 函数，分配一块足够大的、原始的、未命名的内存空间；

② 编译器运行相应的构造函数以构造这些对象，并为其传入初始值；

③ 对象被分配了空间并构造完成，返回一个指向该对象的指针。

2、 delete 简单数据类型默认只是调用 free 函数；复杂数据类型先调用析构函数再调用 operator delete。

针对简单类型，delete 和 delete[] 等同。假设指针 p 指向 new[] 分配的内存。因为要 4 字节存储数组大小，实际分配的内存地址为 [p-4]，系统记录的也是这个地址。delete[] 实际释放的就是 p-4 指向的内存。而 delete 会直接释放 p 指向的内存，这个内存根本没有被系统记录，所以会崩溃。

3、 需要在 new[] 一个对象数组时，需要保存数组的维度，C++ 的做法是在分配数组空间时多分配了 4 个字节的大小，专门保存数组的大小，在 delete [] 时就可以取出这个保存的数，就知道了需要调用析构函数多少次了。

24. 什么是内存泄露，如何检测与避免？

（1）内存泄露

一般我们常说的内存泄漏是指堆内存的泄漏。堆内存是指程序从堆中分配的，大小任意的 (内存块的大小可以在程序运行期决定) 内存块，使用完后必须显式释放的内存。应用程序般使用 malloc、realloc、new 等函数从堆中分配到块内存，使用完后，程序必须负责相应的调用 free 或 delete 释放该内存块。否则，这块内存就不能被再次使用，我们就说这块内存泄漏了。

（2）避免内存泄露的几种方式

1. **使用智能指针：**智能指针是一种能够自动管理内存的对象，可以在不再需要对象时自动释放内存。C++ 标准库提供了智能指针类型，如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr，可以使用它们来管理动态分配的内存。

2. 析构函数为虚函数： 一定要将基类的析构函数声明为虚函数。

3. 申请和释放操作成对出现： 有 new 就有 delete，有 malloc 就有 free，保证它们一定成对出现。对象数组的释放一定要用 delete[]。

4. **重载 new 和 delete：**手动管理内存时，应该重载 new 和 delete 运算符，以便在分配和释放内存时使用适当的函数。这可以避免使用不当的指针操作，从而减少内存泄漏的风险。

5. **使用 RAII（资源获取即初始化）的思想：**RAII 是一种编程技术，它通过将资源的生命周期与对象的生命周期关联起来，确保资源在使用后被正确释放。在 C++ 中，可以使用类来封装动态分配的资源，并在类对象的生命周期结束时自动释放资源。

6. **预先设定好内存池：**预先设定好内存池可以减少频繁的内存分配和释放操作，从而减少内存碎片和提高性能。在程序开始时，可以预先分配一定数量的内存块，并在需要时从内存池中分配内存。这样可以避免频繁地调用 new 和 delete 运算符，从而减少错误的可能性。

（3）检测方法

1. 计数法

使用 new 或者 malloc 时，让该数 +1，delete 或 free 时，该数 -1，程序执行完打印这个计数，如果不为 0 则表示存在内存泄露。

2. gcc 启用 asan 标志检查

GCC 中的 "启用 ASAN 标志检查" 是一种内存泄漏检测工具，它是 GCC 编译器的一个特性，称为 AddressSanitizer（ASan）。ASan 是一个动态分析工具，它可以检测程序中可能的内存泄漏和其他内存错误。

当你在编译程序时，添加 ASan 标志可以启用内存泄漏检测。当程序运行时，ASan 会跟踪分配和释放的内存，并检查是否存在未被释放的内存块。如果发现未被释放的内存块，ASan 会报告内存泄漏。

使用 ASan 进行内存泄漏检测的一般步骤如下：

• 安装 GCC 编译器并启用 ASan 标志。

• 编写代码，使用智能指针或 RAII 技术管理内存。

• 编译程序时添加 ASan 标志。

• 运行程序并检查任何内存泄漏报告。

3. 标记清除法（Mark-Sweep Garbage Collection）

标记清除法是一种内存泄漏检测方法，用于检测程序中可能存在的内存泄漏问题。标记清除法主要包括两个步骤：标记和清除。

在程序运行过程中，标记清除法会跟踪分配和释放的内存块，并使用标记来标识可能存在问题的内存区域。这些标记通常是由程序中的特定对象或数据结构来管理的。当程序运行到某个特定点时，标记清除法会遍历所有已分配的内存块，并检查每个内存块的状态。如果某个内存块已经被释放，但仍然被引用或使用，那么这个内存块就被认为是内存泄漏。

清除步骤则是将所有标记清除，以防止后续的引用或使用。在清除过程中，标记清除法会再次遍历所有已分配的内存块，并确保每个内存块的状态都被正确地清除。

标记清除法的优点在于它可以检测到内存泄漏问题，并且可以在程序运行时实时检测和报告问题。然而，它也存在一些缺点，例如可能会影响程序的性能和稳定性，尤其是在大规模程序中。此外，标记清除法需要正确地管理内存和跟踪分配和释放的操作，因此需要编写复杂的代码来正确地实现它。

4. Linux 下可以使用 Valgrind 工具

首先看一段 C 程序示例，比如：

#include <stdlib.h>
int main()
{
    int *array = malloc(sizeof(int));
    return 0;
}

编译程序：gcc -g -o main main.c，比哪一需要加上 -g 选项打开调试，使用 IDE 的可以用 Debug 模式编译。

使用 Valgrind 检测内存使用情况：

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./main

结果：

==31416== Memcheck, a memory error detector
==31416== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==31416== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==31416== Command: ./main_c
==31416==
==31416==
==31416== HEAP SUMMARY:
==31416==     in use at exit: 4 bytes in 1 blocks
==31416==   total heap usage: 1 allocs, 0 frees, 4 bytes allocated
==31416==
==31416== 4 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==31416==    at 0x4C2DBF6: malloc (vg_replace_malloc.c:299)
==31416==    by 0x400537: main (main.c:5)
==31416==
==31416== LEAK SUMMARY:
==31416==    definitely lost: 4 bytes in 1 blocks
==31416==    indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==31416==      possibly lost: 0 bytes in 0 blocks
==31416==    still reachable: 0 bytes in 0 blocks
==31416==         suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==31416==
==31416== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==31416== ERROR SUMMARY: 1 errors from 1 contexts (suppressed: 0 from 0)

先看看输出信息中的 HEAP SUMMARY，它表示程序在堆上分配内存的情况，其中的 1 allocs 表示程序分配了 1 次内存，0 frees 表示程序释放了 0 次内存，4 bytes allocated 表示分配了 4 个字节的内存。

另外，Valgrind 也会报告程序是在哪个位置发生内存泄漏。例如，从下面的信息可以看到，程序发生了一次内存泄漏，位置是 main.c 文件的第 5 行：

==31416== 4 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==31416==    at 0x4C2DBF6: malloc (vg_replace_malloc.c:299)
==31416==    by 0x400537: main (main.c:5)

5. Win dows 下可以使用 CRT库