内存管理方式

一、C/C++内存分布

1、内存空间的介绍

• 栈/堆栈：存储非静态的局部变量、函数参数、返回值等等，栈是向下增长的。
• 内存映射段：高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可以使用系统接口创建共享内存，做进程间通信。
• 堆：用于程序运行时进行动态内存分配，堆是向上增长的。
• 数据段：存储全局数据和静态数据。
• 代码段：存储可执行的代码、只读常量。

2、示例题目

3、示例题目图解

二、C语言动态内存管理方式

1、代码

int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	free(p3);

	return 0;
}

2、介绍

三、C++内存管理方式

1、概念

因为C++兼容C语言，所以C语言的内存管理方式在C++中可以继续使用，但在C++中的一些地方使用C语言的那套方式无法达成使用的目的，而且用起来比较麻烦，因此C++提出了自己的内存管理方式，即通过new和delete操作符进行动态内存管理。

2、代码

void Test1()
{
	int* p4 = new int;
	int* p5 = new int(5);
	int* p6 = new int[6] {1, 2, 3, 4, 5, 6};
	
	delete p4;
	delete p5;
	delete[] p6;
}

3、代码所代表的意义

申请和释放单个元素空间时，使用new和delete操作符；申请和释放连续的空间时，使用new[]和delete[]。注意，new和delete要匹配使用，即使用new开辟的要使用delete去释放，使用new[]开辟的要使用delete[]去释放，否则可能会出问题。

四、new和delete操作自定义类型

1、代码

class A
{
public:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 10)" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(20);
	free(p1);
	delete p2;

	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p4 = new A[10]{ 20,30,40 };
	free(p3);
	delete[] p4;

	return 0;
}

2、运行结果

3、特点

• 对于自定义类型来说，在申请自定义类型的空间时，new会调用它的构造函数对对象进行初始化，而malloc不会；在释放自定义类型的空间时，delete会调用它的析构函数对对象中的资源进行清理，而free不会。
• 对于内置类型来说，new/delete跟malloc/free没有本质的区别，只有用法的区别，即使用new/delete的用法比较简单。
• 总的来说，new/delete 是为自定义类型准备的。
• new开辟空间失败，不需要检查返回值，因为它开辟空间失败是抛异常；malloc开辟空间失败，需要检查返回值，因为它开辟空间失败是返回空指针。

五、operator new与operator delete函数

1、概念

通过前面的介绍，我们知道new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符。而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在底层调用operator delete全局函数来释放空间。

2、代码

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);
}

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)

3、讲解

• operator new函数实际是通过malloc来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回指向申请出来的空间的指针；当申请空间失败时，尝试执行空间不足的应对措施，如果用户设置了该应对措施，则继续申请空间，否则就抛异常。
• operator delete函数最终是通过free来进行释放空间的操作，如上方的代码中，operator delete函数中有_free_dbg语句，而该语句在free中被重命名为free( p )。

六、new和delete的实现原理

1、内置类型

当申请的空间是内置类型的空间时，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new和delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请和释放的是连续空间，并且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

2、自定义类型

（1）new

• 调用operator new函数申请空间。
• 在申请的空间上调用该自定义类型的构造函数执行初始化操作，完成对对象的构造。

（2）delete

• 在空间上调用该自定义类型的析构函数，完成对对象中资源的清理工作。
• 调用operator delete函数释放对象的空间。

（3）new T[N]

• 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。
• 在申请的空间上调用N次该自定义类型的构造函数执行对N个对象的初始化操作。

（4）delete[]

• 在欲释放的对象空间上调用N次该自定义类型的析构函数，完成对N个对象中的资源清理工作。
• 调用operator delete[]释放空间，在operator delete[]中实际是调用operator delete去释放空间。

七、定位new表达式(placement-new)

1、作用

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。

2、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。

3、使用场景

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出来的内存空间没有进行初始化的操作，所以如果是自定义类型的对象，需要使用定位new表达式显式调用该自定义类型的构造函数进行初始化。

4、代码

//自定义的类
class A
{
public:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 10)" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));
	new(p2)A(20);
	p2->~A();
	operator delete(p2);

	return 0;
}

八、malloc/free和new/delete的区别

1、相同点

都是从堆上申请空间，并且需要用户对这些申请出来的空间手动进行释放。

2、不同点

• malloc和free是函数，new和delete是操作符。
• 当申请的是自定义类型的空间时，malloc不会对它进行初始化；而new可以调用它的构造函数对它进行初始化。
• malloc申请空间时，需要手动计算欲申请空间的大小并作为实参进行传递；而new只需在其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中需指定欲申请的对象数量。
• malloc的返回值为void*, 在使用时必须进行强制类型转换；而new不需要，因为new后面跟着空间的类型，而编译器会自动进行那些操作。
• malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须进行判空，判断申请空间是否成功；而new不需要，但是new需要捕获异常，因为它申请空间失败时是抛异常。
• 申请自定义类型对象时，malloc与free只会开辟空间，不会调用该自定义类型的构造函数与析构函数；而new在申请空间后会调用该自定义类型的构造函数完成对对象的初始化，delete在释放空间前会调用该自定义类型的析构函数完成对对象空间中的资源清理工作。

九、内存泄漏

1、概念

内存泄漏是指因为疏忽或错误的原因而造成程序未能释放已经不再使用的内存空间的情况。内存泄漏并不是指内存在物理空间上的消失，而是应用程序分配完某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存空间的浪费。

2、危害

长期运行的程序如果出现内存泄漏，会造成很大的影响，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。

3、内存泄漏的分类

（1）堆内存泄漏(Heap leak)

正常的程序在执行中，依据通过malloc/calloc/realloc/new等从堆中分配一块内存空间，当使用完这块空间后必须通过调用相应的free或者delete对这块空间进行释放。但如果程序设计错误等原因导致这部分内存空间没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

（2）系统资源泄漏

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去释放掉，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。

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