C++面试八股文：如何在堆上和栈上分配一块内存？

某日二师兄参加XXX科技公司的C++工程师开发岗位6面：

面试官： 如何在堆上申请一块内存?

二师兄：常用的方法有malloc，new等。

面试官：两者有什么区别？

二师兄：malloc是向操作系统申请一块内存，这块内存没有经过初始化，通常需要使用memset手动初始化。而new一般伴随三个动作，向操作系统申请一块内存，并执行类型的默认构造函数，然后返回类的指针。

面试官：嗯，那你知道calloc和realloc吗？

二师兄：calloc比malloc多做了一步，就是把申请的内存初始化成0。而realloc则可以改变当前指针所指向的内存块的大小。

面试官：好的。那么你知道这些api/操作符失败会发生什么吗？

二师兄：malloc/calloc/realloc失败会返回NULL，而new失败则会抛出异常。

面试官：有没有让new失败不抛出异常的方法？

二师兄：好像有，但是我不记得了。。。

面试官：没关系。。。我们都知道new和delete成对出现，new[]和delete[]也是成对出现，那么我想问，如果使用new[]创建的对象用delete释放了会发生什么？为什么？

二师兄：额。。。内存泄漏？对，会发生内存泄漏。因为内存没有被释放。

面试官：好的。我们都知道C++中的内存管理是一个比较麻烦的事情，现在有个需求，需要在程序中记录主动申请的内存和主动释放的内存，以确保没有发生内存泄漏。有什么好的方法吗？

二师兄：可以重载new和delete运算符。

面试官：如何重载new和delete运算符？

二师兄：我得查一下资料，这个重载用的很少。。。

面试官：（笑）好吧，最后一个问题，咱们上面一直在讨论堆中的内存的分配和释放，请问一下，如果在栈上分配一块固定的内存？栈中的内存如何释放？

二师兄：额。。。（思考）使用 char[size] ? 应该不需要手动释放。

面试官：好的，回去等通知吧。

对于二师兄的表现，小伙伴们能给打几分呢？我们先看看二师兄在面试中表现不太好的地方：

面试官：有没有让new失败不抛出异常的方法？

在C++中我们可以使用以下方法使得new运算符不抛出异常，

int* p = new (std::nothrow) int(42);
if(p == nullptr)
{
    //分配失败
}

这个特性需要C++11支持。

再看下一个问题：

如果使用new[]创建的对象用delete释放了会发生什么？

一定会发生内存泄漏吗？答案是，不一定。这取决于类型T。我们先看第一种情况：

class Foo
{
public:
    Foo():num_(42){}
private:
    int num_;
};

Foo* pf = new Foo[1024];
delete pf;

当类型T没有管理资源时，delete pf会把整个申请的1024个Foo所占用的内存全部归还给操作系统，此时并没有内存泄漏。再看下一种情况：

class Foo
{
public:
    Foo():num_(new int(42)){}
    ~Foo(){delete num_;}
private:
    int* num_;
};

Foo* pf = new Foo[1024];
delete pf; 

此时会造成内存泄漏，原因很简单。在执行delete[]时，首先逆序执行每个元素的析构函数，然后再把整块内存归还给操作系统。而delete只会把内存还给操作系统，没有执行析构函数。当类没有资源需要管理时，执行与不执行析构函数都无关紧要，但是当类中需要管理资源时，析构函数的执行就至关重要了。

如何重载new和delete运算符？

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <map>
struct MemoryInfo {
    size_t size;
    const char* file;
    int line;
};

std::map<void*, MemoryInfo> memoryMap;

void* operator new(size_t size, const char* file, int line) {
    void* ptr = std::malloc(size);
    memoryMap[ptr] = {size, file, line};
    return ptr;
}

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    auto it = memoryMap.find(ptr);
    if (it != memoryMap.end()) {
        std::free(ptr);
        memoryMap.erase(it);
    }
}

#define new new(__FILE__, __LINE__)

int main() {
    int* p = new int(42);

    for (const auto& [ptr, info] : memoryMap) {
        std::cout << "Memory allocated at " << ptr << " with size " << info.size
                  << " in file " << info.file << " at line " << info.line << std::endl;
    }
    
    delete p;
    
    for (const auto& [ptr, info] : memoryMap) {
        std::cout << "Memory allocated at " << ptr << " with size " << info.size
                  << " in file " << info.file << " at line " << info.line << std::endl;
    }
    return 0;
}

最后一个问题：

如果在栈上分配一块固定的内存？栈中的内存如何释放？

使用alloca，虽然简单，但是很多人可能都没有接触过：

int* p = (int*)alloca(4);
*p = 42;

栈上申请的内存不需要手动释放。注意，如果栈溢出，alloca的行为时未定义的。