C++03_内存管理

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++03_内存管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

【C++】03_内存管理

文章目录

01.C/C++内存分布

先看问题：

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";
 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);
}
//1.选择
//选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
// globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
// staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
// num1 在哪里？____
// char2在哪里？____ *char2在哪里？___
// pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
// ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？___

//2.填空
// sizeof(num1) = ____;                            40 （4*10）
// sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;     5（别忘了'\\0')  4(长度不算'\\0')
// sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;   4(pChar3是指针，永远4字节)  4（字符串长度）
// sizeof(ptr1) = ____	                           4（ptr1也是指针）

如果不是很了解的话，就来好好看看吧。

【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，堆是向上增长的。
  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。

【补充】

  • static无论是全局变量还是局部变量都存储在全局/静态区域，在编译期就为其分配内存，在程序结束时释放
  • c语言中const全局变量存储在只读数据段，编译期最初将其保存在符号表中，第一次使用时为其分配内存，在程序结束时释放。而const局部变量（局部变量就是在函数中定义的一个const变量，）存储在栈中，代码块结束时释放。
  • 当全局变量和静态局部变量未赋初值时，系统自动置为0。
  • 拓展阅读 const修饰的变量的存储位置 const、static变量存储位置

02.C语言中动态内存管理方式

现在来回顾一下C语言的动态内存管理。

2.1 malloc/calloc/realloc和free

void Test ()
{
 int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
 free(p1);
 
 // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
 int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
 int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
 
 // 这里需要free(p2)吗？
 free(p3 );
}

三者简单来回顾下：

  • void * malloc(int n);

    n为申请空间大小（单个类型大小*总个数）。

    malloc申请的空间请使用memset初始化；

  • void *calloc(int n,int size);

    size：单个类型大小； n：申请的个数，总大小size*n。

    calloc会对申请空间初始化，并且初始化为0，而其他两个不会。

  • void * realloc(void * p,int n)；

    p：堆上已经存在空间的地址；n:空间的大小。

    realloc是对已经存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL的时候和malloc作用一样。

不论是那种分配方法，最后都要free();

03. 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。

3.1 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10
 int* ptr5 = new int(10);
 
 // 动态申请10个int类型的空间
 int* ptr6 = new int[10];
 
 delete ptr4;		//释放
 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如数组，使用new[]和 delete[]；

3.2 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;
};
//c方式
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(sizoef(Test) * 10);
     free(p2);
}

//c++方式
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;
}

注意🗣：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与free不会。

04. operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

  • 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，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。（关于异常的问题后面会讲解，现在知道有这么个东西即可）*/
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 阻止其他线程*/
     __TRY
         
         /* get a pointer to memory block header 获取指向内存块头的指针*/
         pHead = pHdr(pUserData);

         /* verify block type 验证块类型*/
         _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));

         _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );	
    
     __FINALLY
     	_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads 释放其他线程*/
     __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。

4.2 operator new与operator delete的类专属重载（了解即可）

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。（了解即可，初学看不懂也正常）

struct ListNode
{
     ListNode* _next;
     ListNode* _prev;
     int _data;
    
     void* operator new(size_t n)
     {
         void* p = nullptr;
         p = allocator<ListNode>().allocate(1);   //这里用了allocator类，有兴趣可以查阅。
         cout << "memory pool allocate" << endl;
         return p;
     }
    
     void operator delete(void* p)
     {
         allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
         cout << "memory pool deallocate" << endl;
     }
};

class List
{
public:
     List()
     {
         _head = new ListNode;	
         _head->_next = _head;
         _head->_prev = _head;
     }
     ~List()
     {
         ListNode* cur = _head->_next;
         while (cur != _head)
         {
             ListNode* next = cur->_next;
             delete cur;
             cur = next;
 		}
         delete _head;
         _head = nullptr;
 	}
    
    private:
     ListNode* _head;
};
int main()
{
     List l;
     return 0;
}

05. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

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

5.2 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。

06. 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

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。

    class A
{
public:
    A(): _data(0)
    {
        cout << "Test():" << this << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~Test():" << this << endl;
    }

private:
    int _data;
};
void Test()
{
    // pt现在指向的只不过是与Test对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
    A* pt = (A*)malloc(sizeof(A));

    new(pt) A; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
}
int main() 
{
    Test();
    return 0;
}

07.常见面试题

7.1 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；
    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。

7.2 内存泄漏

7.2.1 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。

​

void MemoryLeaks()
 {
	while (true) 
	{
		new int[10000];
	}
    //运行不一会，就报错了，bad_alloc
 }

7.2.2 内存泄漏分类（了解）

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。

7.2.3 如何检测内存泄漏（了解）

7.2.4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：这是理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要之后讲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. 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。

即内存泄漏非常常见，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。

7.3 如何一次在堆上申请4G的内存？

// 将程序编译成x64的进程，运行下面的程序试试？(因为32位的环境下虚拟地址空间的大小只有4g，而光内核空间就需要1g，所以不可能申请得到，只有在64位的环境下才可以实现，只需要把执行环境改为64x即可)
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
 void* p = new char[0xfffffffful];
 cout << "new:" << p << endl;
 return 0;
}

以上是关于C++03_内存管理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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