C/C++之内存管理

1. 内存分布

我们定义的变量对于电脑来说也叫数据，同时电脑也会把这些数据分为不同的类型，分别是局部数据 ，静态数据 ，全局数据 ，常量数据 和动态申请数据。

在 C++ 中，各类数据存储位置如下：

• 局部数据：存于栈区，由编译器自动分配和释放，函数结束后数据销毁。

• 静态数据（static 修饰的局部变量）：存于静态存储区（全局区），程序启动时分配，结束时释放，生命周期贯穿程序运行。

• 全局数据：存于静态存储区（全局区），作用域为整个程序，程序运行期间一直存在。其中未初始化的全局变量存于BSS段，已初始化的存于数据段。

• 常量数据：存于常量区（只读数据段），不可修改，程序结束后释放。

• 动态申请数据（new/malloc分配）：存于堆区，需手动释放（delete/free），生命周期由程序员控制。

在上面这张图片中，各个变量可以分为以下这些类型：

• 局部数据：localVar 、num1 、char2 、pChar3 、ptr1 、ptr2 、ptr3 ，它们在函数 Test 内部定义，作用域局限于函数内 ，存储在栈区，函数执行完内存自动释放。

• 静态数据：函数内 staticVar ，以及函数外 staticGlobalVar 。staticVar 虽在函数内定义，但因 static 修饰存储在静态存储区（全局区） ，生命周期贯穿程序始终；staticGlobalVar 是全局静态变量，也存于静态存储区（全局区）。

• 全局数据：globalVar ，在函数外部定义，作用域为整个程序，存于静态存储区（全局区）。

• 常量数据：pChar3 指向的字符串 "abcd" ，字符串常量存于常量区（只读数据段），内容不可修改。

• 动态申请数据：ptr1 、ptr2 、ptr3 指向的内存空间，分别通过 malloc 、calloc 、realloc 函数在堆区动态分配内存，需手动调用 free 释放。

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

• malloc：从堆上分配指定字节数的连续内存空间，不对内存进行初始化 ，分配的内存中可能是垃圾值。例如 int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); 是分配能存放10个 int 类型数据的空间。

• calloc：在堆上分配指定数量、指定大小的内存空间，并且会将**分配的内存空间全部初始化为0。**如 int *q = (int*)calloc(5, sizeof(int)); 是分配5个 int 类型数据的空间并清零。

• realloc：用于调整已分配内存块的大小。可以扩大或缩小之前由 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存块。若扩大内存，原内存内容会复制到新区域，新扩展部分值不确定；若缩小内存，原内存超出新大小部分会被截断。例如 int *r = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int)); 尝试将 p 指向的内存块大小调整为能存放20个 int 类型数据。

简单来说就是malloc和calloc都是开辟空间用的，区别是malloc不初始化，calloc初始化为0。

cealloc用于调整已经分配好的大小。

PS：虽然calloc会初始化，但是我们在使用的时候跟多的会使用malloc，因为比较方便。

free的话就是释放开辟的内存。

我们知道程序结束的时候使用未释放的内存会自动释放，那么我们为什么还要自己通过free来进行释放呢？这是因为很多大型的程序是长期开着的，所以如果我们每个进程都有一小段内存不释放的话，那整个程序就会越来越卡，所以说我们在一开始就要养成自己free的好习惯，当然后期我们会接触到一个叫智能指针的东西，通过编译器自己调用来释放资源。

3. c++内存管理方式：new/delete

C++通过new和delete操作符进行动态内存管理。

我们知道C++这门语言底层是通过C语言来进行的。所以我们的new和delete的底层实现也是malloc和free。

我们来看下面这个代码，这是使用new和delete的格式。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
    ...
};

class B {
    ...
};

int main() {
    // 使用 new 创建单个对象
    A* ptrA = new A();  
    B* ptrB = new B();  

    // 使用 delete 释放单个对象
    delete ptrA;  
    delete ptrB;  

    // 使用 new 创建数组对象
    A* arrA = new A[3];  
    B* arrB = new B[2];  

    // 使用 delete[] 释放数组对象（注意 []）
    delete[] arrA;  
    delete[] arrB;  

    return 0;
}

PS1：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。

PS2：new如果失败的话编译器会抛异常的，所以我们也需要接收异常。

我个人认为new和delete的出现是为了类，因为我们如果使用malloc和free来对类进行创建和销毁的话，会比较麻烦。

4. C++与C语言内存管理之间的差异

共同点：就是都是从堆上开辟空间并且都需要手动释放内存。

不同点：1. 就是C语言那套叫函数，而C++那套叫操作符（即operator new和operator delete）。

C语言那套要自己手动计算空间，C++那套不需要（如果是数组的话就只需要加个数）。

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。

4.C语言那套申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，C++那套不需要，但要捕获异常。

malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
new后面跟的是类型，所以不用强转。 C语言那套在void* 的情况下需要强转。

5. 内存泄露

内存泄露分为两种，一种是堆内存泄漏，一种是系统资源泄漏

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，如套接字、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。

内存泄露这个问题是非常麻烦的，所以我们在平常写代码的时候是一定要注意的，严重是可以造成巨大损失的，如服务器崩溃之类的。

PS：其实如果是一次泄露很多是比较好发现的，就怕一次泄露一点点。因为这一点点实在是太小了，非常难发现，但是系统运行时间长了就一定会出问题。