C/C++内存管理

一、C/C++内存分布

看下面这段代码：

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test1()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	const char* pChar3 = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

• 栈又叫做堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下生长的。
• 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内存，做进程间通行。
• 堆用于程序运行时的动态内存分配，堆是向下生长的。
• 数据段--存储全局数据和静态数据。
• 代码段--可执行的代码/只读常量。

二、C语言动态内存管理方式

void Test2()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	int* p2 = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 5);
	free(p1);
	free(p3);
}

C语言的动态内存管理都是通过malloc、calloc、realloc三个函数实现的。

三、C++动态内存管理方式

C语言动态内存管理方式在C++中可以继续使用，但是面对一些问题时会无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的动态内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

1、new/delete操作内置类型

void Test3()
{
	int* p1 = new int;//开辟1个int的空间
	char* p2 = new char('s');//开辟1个char的空间并初始化为s
	double* p3 = new double[10];//开辟10个double的空间
    //double* p3 = new double[10](1.1)  不能这么写

	delete p1;//释放单个空间
	delete p2;//释放单个空间
	delete[]p3;//释放连续的空间
}

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[]。

2、new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 1, int b = 1)
	{
		_a = a;
		_b = b;
	}
	~A()
	{
		_a = 0;
		_b = 0;
	}
private:
	int _a; 
	int _b;
};
void Test4()
{
	//new/delete和malloc/free最大的区别就是：
	//new/delete对于自定义类型出了开空间释放空间
	//还会去调用构造函数和析构函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A*));
	A* p2 = new A(13, 3);
	free(p1);
	delete p2;
}

注意：在申请自定义类型空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free则不会。

四、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：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间
失败，尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否
则抛异常。
*/
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);
}
/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
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)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new实际也是通过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最终也是通过free来释放空间的。

五、new与delete的原理

1、内置类型

如果申请的内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本相似，不同的地方是：new在申请失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

2、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，完成对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。

六、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。

使用场景：定位new表达式在实际中一般配合内存池使用。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，需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

class A
{
public:
	A(int a = 1, int b = 1)
	{
		cout << "A()" << endl;
		_a = a;
		_b = b;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
		_a = 0;
		_b = 0;
	}
private:
	int _a; 
	int _b;
};
void Test4()
{
	//p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间
	//还不能算是一个对象，因为构造函数还没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A(22, 13);
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(21, 13);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
}

七、malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地

方是：

① malloc和free是函数，new和delete是操作符。

② malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。

③ malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，

如果是多个对象，[]中指定对象个数即可。

④ malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型。

⑤ malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new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，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。

八、内存泄漏

1、什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

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。

2、 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

• 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，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。

3、如何避免内存泄漏

①工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps： 这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智 能指针来管理才有保证。

②采用RAII思想或者智能指针来管理资源。

③有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。

④出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。