C++中的内存空间管理详解【C++】

C/C++内存分布

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	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);
}

如图代码中变量在内存中的存储位置。

内存分布图：

1.栈又叫做堆栈，存储非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。

栈是向下增长的，而堆是向上增长的？

一般来说，在栈上开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆开辟空间，先开辟的空间地址较低。

注意：在堆区开辟空间，后开辟的空间地址一定比先开辟的空间地址高吗？不一定 ，在堆上，后开辟的空间也有可能位于前面某一被释放的空间位置。

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内存，做进程间通信。
3.堆用于程序运行时动态内存分配，堆上可以向上增长的。
4.数据段 - 用于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：malloc/calloc/realloc/free

如果不太清楚关于 C语言中动态内存管理方式，可以点击这个链接

C++内存管理方式

通过new和delete操作符进行动态内存管理。 new和delete是运算符，不是函数，因此执行效率高。

new/delete操作内置类型

1.动态申请单个某类型的空间

int main()
{
	//动态申请单个int类型的空间
	int* p1 = new int; //申请
	delete p1; //销毁
	     //等价于
	//动态申请单个int类型的空间
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
	free(p1); //销毁
return 0 ;
}

2.动态申请多个某类型的空间

int main ()
{
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[10]; //申请
	delete[] p3; //销毁


      //等价于
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	free(p4); //销毁
return  0 ;
}

3.动态申请单个某类型的空间并初始化

int main()
{
	//动态申请并初始化 
	int* p1 = new int(10);
	delete p1;
	return 0;
	//等价于 
	/*int* p1 = (int *)malloc(sizeof(int ));
	*p1 = 10;
	free(p1);*/
}

4.动态申请多个某类型的空间并初始化

int main()
{
	//动态申请多个值并初始化
	int* p1 = new int[10]{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	delete []p1;//销毁


		//等价于 
	/*int* p1 = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		p1[i] = i;
	}*/
	return 0;
}

new和delete操作自定义类型

对于以下自定义类型：

class A
{
public :
	A(int a = 0)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;

};

1.动态申请单个类的空间

class A
{
public :
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;

};
int main()
{
	//动态申请多个类的空间 
	A* p1 = new A[10] ;
	delete[]p1;//销毁

	//malloc 
	//A* p1 =(A*) malloc(sizeof(A)*10);
	//free(p1);

	return 0;
}

在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会

1、C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
2、对于自定义类型，new是开空间+构造函数、delete是析构函数+释放空间，但是malloc和free只有开空间和释放空间。

struct ListNode
{
	struct ListNode* _next;
	int _val;

	ListNode(int x)
		:_val(x)
		,_next(NULL)
	{

	}
};

struct ListNode* Buynode(int x)
{
	struct ListNode* newnode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	newnode->_next = NULL;
	newnode->_val = x;
    return newnode;
}

int main()
{

	struct ListNode* n1 = Buynode(1);
    //开空间并调用构造函数初始化 
	ListNode* p1 = new  ListNode(1);
	delete p1;
	return 0;
}

3 C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，使用new和delete。

operator new与operator delete函数

operator new 和operator delete 不是直接的运算符重载

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和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。
 operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一样，其功能都是在堆上申请和释放空间。

int main()
{
	int* p1 = (int *)operator new (sizeof(int) * 10); //申请
	operator delete(p1);//销毁 
	//等价于 
	//int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); //申请
	//free(p2); //销毁
	return 0;
}

实际上，operator new的底层是通过调用malloc函数来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回；若申请空间失败，则尝试执行空间不足的应对措施，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。而operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的。

注意：虽然说operator new和operator delete是系统提供的全局函数，但是我们也可以针对某个类，重载其专属的operator new和operator delete函数，进而提高效率。

重载operator new与operator delete

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 最终是通过free来释放空间的。

new和delete的实现原理

内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new/delete和malloc/free基本类似，不同的是，new/delete申请释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete [ ]申请释放的是连续的空间，此外，malloc申请失败会返回NULL，而new申请失败会抛异常。

自定义类型

1️⃣ 调用operator new函数申请空间。
2️⃣ 在申请的空间调用构造函数，完成对象的构造。
delete:
1️⃣ 在空间上调用析构函数，完成对象中资源清理的工作。
2️⃣ 调用operator delete函数释放对象的空间。

new arr[N]:
1️⃣ 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。
2️⃣ 在申请的空间上执行N次构造函数。

delete []:
1️⃣ 在释放的空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理。
2️⃣ 调用operator delete[]释放空间，在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

typedef int DateType;
class Stack
{
public :
	Stack(size_t capacity = 3)
	{
		cout << "Stack(size_t capacity = 3)" << endl;
		_array =(DateType*) malloc(sizeof(DateType) * capacity);
		if (_array == nullptr)
		{
			cout << "malloc fail" << endl;
			exit(-1);
		}
		_size = 0;
		_capacity = capacity;

	}
	void Push(DateType data)
	{
		_array[_size++] = data;
	   
	}
	~Stack()
	{
		free(_array);
		_array = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}
private:
	DateType* _array;
	int _capacity;
	int _size;
};


int main()
{
	try
	{
		//申请空间并调用构造函数初始化 
		Stack* p1 = new Stack;
		delete p1;
	}
	catch (const exception &e  )
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

delete ,先调用析构函数释放_array数组在堆上申请的空间 ， 再让operator delete调用free释放Stack对象的资源

定位new表达式(placement-new)

一般来说，使用new申请空间时，是从系统堆上分配空间。申请所得的空间位置是根据当时的内存使用的实际情况来决定。但在某些特殊情况下，可能需要在已分配的特定内存创建对象，这就是所说的定位new(placement - new)。

默认情况下，如果new不能分配所需要的内存空间，那么它会抛出一个类型为bad_alloc的异常。我们可以改变使用new的方式来阻止其抛出异常：

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)

其中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，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0) //构造函数 
		:_a(a)
	{}

	~A() //析构函数
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//new(place_address)type 形式
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;

	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p2)A(2021);

	//析构函数也可以显示调用
	p1->~A();
	p2->~A();
	return 0;
}

在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。

面试题

malloc/free和new/delete的区别？

共同点：
都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放
不同点：

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申请的空间会初始化
 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
 4、malloc的返回值是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，不会调用构造函数和析构函数，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

内存泄露

内存泄漏(Memory Leak) 是指程序中已动态分配的堆内存由于某种原因导致程序未释放或者无法释放，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。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，因为错误设计，失去了对该段内存的控制。

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。

c/c++程序中我们比较关心的两种内存泄漏：

1 堆内存泄漏(Heap Leak)
堆内存指程序执行中需要通过malloc、realloc、realloc、new等从堆中分配内存，用完后需通过调用free或者delete释放。若程序的设计错误导致这一部分内存没有被释放掉，那么之后这块空间将无法继续使用，就会发生堆内存泄漏。

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、管道等没有使用对于的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重则可导致系统的效能减少，系统执行不稳等。

如何避免内存泄漏：
1.工程前期设计规范，养成良好的编码习惯。
2.提前预防。如智能指针等。
3.内存泄漏工具的使用。（很多工具不靠谱，且收费昂贵）

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