【C/C++】内存管理详解（重要）

秃头侠们好呀，今天咱们来聊聊 内存管理

本章重点

1. C/C++内存分布
2. C语言中动态内存管理方式
3. C++中动态内存管理
4. operator new与operator delete函数
5. new和delete的实现原理
6. 定位new表达式(placement-new)
7. 常见面试题

C/C++内存分布

(*pChar3在代码段) (*char2在栈上)

【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
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
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的
4. 数据段–存储全局数据和静态数据
5. 代码段–可执行的代码/只读常量

C语言中动态内存管理方式

我们学过C了，C的动态内存管理用 malloc/calloc/realloc和free

面试题：malloc calloc realloc的区别

解答：

相同点：
①都是动态申请空间，在堆上申请，用完后需要自己free掉，否则会造成内存泄漏

②返回值都是void*，接收返回值时需要强转

③都是C语言中用来动态内存申请的库函数

不同点：
①malloc的参数只有一个：需要开辟空间的大小（总字节数），不会对申请的空间初始化

②calloc的参数有两个，一个是元素个数，一个是单个元素的字节数，calloc会按字节序初始化为0，calloc相当于malloc+memset

③realloc的参数也有两个，一个是想要被改变的空间指针，一个是要调整的字节数；当第一个参数为NULL时，与malloc一样。剩下的分为原地扩和异地扩，当需要扩容空间不够时，需要再找一片新空间开辟需要调整的字节数，把旧内容拷贝过来，释放旧内容；当空间足够就原地扩容。

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

new/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;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为5
	int* ptr5 = new int(5);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];
	
	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[]

new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};
void Test1()
{
	// 申请单个Test类型的空间
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);
	// 申请10个Test类型的空间
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test) * 10);
	free(p2);
}

void Test2()
{
	// 申请单个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;
	// 申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[] p2;
}

int main()
{
	Test2();
	return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new先在堆上申请好空间，再调用构造函数，完成对象的初始化；delete会先调用析构函数清理对象中的资源，最后释放空间；而malloc与free不会。(这是他们最最最重要的区别)

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
实际是通过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

operator new只是申请空间，之后再调构造函数 可以类比为 new=operator new+构造函数

delete=析构函数+operator delete

new和delete的实现原理

对于内置类型，malloc/free和new/delete是一样的，但是对于自定义类型

• 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

operator new ;operator delete就是对malloc/free的封装，这俩的目的不是让你用的，而是给new和delete用的。

operator new与operator delete的类专属重载

我们知道new这种动态开辟是在堆上申请空间的，但是频繁的在堆上申请和释放空间效率就很低。
举个例子：我们是在山上住的村民，我们的水来源只有山下的一条河流，我们想要取水，就得下山去打水，但是如果每次我们需要水都要下山跑很远去打一点水，就很没有效率，这时我们可以在山上造一个水池，一次性把水都先弄到这个水池里，这样我们取水就可以去水池取水了。

所以我们可以重载一个operator new使用内存池(allocator)（空间配置器）技术申请和释放空间来提高效率。

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。

A*p1=new A(1);
delete p1;

上述的等价于下述

A*p1=(A*)operator new(sizeof(A));
new(p1)A(1);

p1->~A();
operator delete(p1);

常见面试题

malloc/free和new/delete的区别

共同点：
①都是在堆上申请空间，并且需要手动释放，否则会导致内存泄漏

不同点：
①malloc/free是函数，new/delete是操作符

②malloc申请的空间不会初始化，而new可以进行初始化

③malloc申请空间时需要自己计算空间大小并传递，new只需要在其后面跟空间类型

④malloc返回值是void*，必须强转，new不需要，因为new后面跟的是空间类型

⑤malloc申请失败时返回NULL所以必须判空，new不要要但是需要捕获异常

⑥申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，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需要清理的资源

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏有什么危害

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。

内存泄漏分类

1、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。

2、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。

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。

如何一次在堆上申请4G的内存？

之前我们讲到在32位平台下，堆上总共就4G，而且你能用的就更少了

解决办法：将程序编译成x64的进程

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