【C++内存管理】第一篇:（malloc/deldete和malloc/free）

前言

一、C/C++内存分布

为什么栈是向下生长的呢？

• 因为栈是先开辟高地址的空间，在开辟低地址的空间

代码如下:

void T2(){
    int b;cout <<"b:"<< &b << endl;
}
void T1(){
    int a;cout <<"a:"<< &a << endl;T2();
}
int main(){
    T1();return 0;
}

为什么堆是向上生长的呢？

• 因为堆是先申请低地址的空间，在申请高地址的空间

代码如下:

int main(){
    int* a =(int *) malloc(sizeof(int));int* b =(int *) malloc(sizeof(int));cout <<"a指向的地址："<< a << endl;cout <<"b指向的地址："<< b << endl;return 0;
}

【注意】
在堆上后申请开辟的空间的地址不一定比前申请开辟的空间的地址大，因为前开辟的空间可能被释放了，那么后开辟的空间可能就在原前开辟的空间的地址上开辟

代码如下:

int main(){
    for (int i = 0; i < 3; i++){
    int* a = (int *)malloc(sizeof(int));int* b = (int *)malloc(sizeof(int));cout << a << endl;cout << b << endl;free(a);}return 0;
}

栈和堆会不会相撞?

• 不会，栈和堆都有自己的限度，超栈了会栈溢出，当动态开辟空间大于堆的空间，就会开辟失败，栈的空间较小，堆的空间较大

下面我们来看一段代码和相关问题

代码如下:

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);
}

代码如下:

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void main()
{
    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);cout << "sizeof(num1):"<<sizeof(num1) << endl;cout <<"sizeof(char2):" <<sizeof(char2) << endl;cout <<"strlen(char2):" <<strlen(char2) << endl;cout <<"sizeof(pChar3):"<<sizeof(pChar3) << endl;cout <<"strlen(pChar3):" <<strlen(pChar3) << endl;cout <<"sizeof(ptr1):" <<sizeof(ptr1) << endl;
}

记住：sizeof是一个运算符，（当应用于结构类型或变量时，sizeof返回实际大小，其中可能包括为对齐而插入的填充字节。当应用于静态维数组时，sizeof返回整个数组的大小。sizeof操作符不能返回动态分配的数组或外部数组的大小），strlen是一个函数，计算字符串的长度，strlen碰到/0就结束

【总结】

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。（以后讲，现在只需要了解一下）
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。

二、C语言中动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和free

学过C语言的人应该对这些函数不陌生了，那么直接看题。

1、malloc是在堆上动态开辟空间，不会对这片空间初始化

2、calloc是在堆上动态开辟空间，但会堆开辟的空间初始化为0，相当于malloc加memset

3、realloc在堆上动态开辟空间，realloc会在原有的空间上再来扩大空间（扩建），但是当原有地址处的空间不够再来开辟时，那么就会在其他地方开辟，并且会把原有的数据拷贝到现开辟的空间上（原地扩容或异地扩容）

代码如下:

int main()
{
    int *a = (int *)malloc(sizeof(int)*4);int *b = (int *)calloc(5,sizeof(int));//int *c = (int *)realloc(a, sizeof(int)* 10);int *c = (int *)realloc(a, sizeof(int)*5);cout <<"a:"<<a << endl;cout <<"b:"<<b << endl;cout <<"c:"<<c << endl;free(b);free(c);
}

三、C++中动态内存管理方式

C语言中的内存管理方式也可以用在C++上，但是在有些地方不实用，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符来进行动态内存管理。

注意：C语言中malloc、calloc、realloc、free都是函数，new和delete是操作符

3.1 new和delete的用法

代码如下:

int main()
{
    //动态申请一个int类型的空间int* p1 = new int;//动态申请一个int类型的空间，并初始化为0int *p2 = new int(0);//动态申请10个int类型的空间int *p3 = new int[10];//new/delete和 new[]/delete[]匹配，否则可能会出错delete p1;delete p2;delete[]p3;
}

3.2 new/delete操作内置类型

代码如下:

int main()
{
    //动态申请一个int类型的空间int* p1 = new int;//动态申请一个int类型的空间，并初始化为0int *p2 = new int(0);//动态申请10个int类型的空间int *p3 = new int[10];//new/delete和 new[]/delete[]匹配，否则可能会出错delete p1;delete p2;delete[]p3;
}

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[]

3.3 new/delete操作自定义类型

代码如下:

class A
{
    
public:A(int a=0):_a(a){
    cout <<"A(int a=0)"<< endl;_a = a;}~A(){
    cout <<"~A()" << endl;}void prit(){
    cout << _a << endl;}
private:int _a;
};int main()
{
    A *p1 = new A(3);(*p1).prit();delete p1;
}

1、new在开辟空间后，会调用构造函数初始化
2、先调用析构函数，再释放空间

3.4 malloc、free与new、delete的区别

malloc与new有什么区别？
free与delete有什么区别？

代码如下:

struct A{
    
public:A(int a=0):_a(a){
    cout <<"A(int a=0)"<< endl;_a = a;}~A(){
    cout <<"~A()" << endl;}void prit(){
    cout << _a << endl;}
private:int _a;
};int main(){
    int* d1 = (int *)malloc(sizeof(int));int* d2 =  new int;A *p1 = new A(3);(*p1).prit();A*p2 = (A*)malloc(sizeof(int));free(p2);delete p1;
}

1、C++中new和malloc对申请内置类型对象和数组没有区别
2、对于自定义类型，new是开空间+初始化，delete是析构清理+释放空间，malloc与free仅仅是开空间和释放空间

建议在C++中，无论是对内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量用new和delete

四、operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

C++中是用new和delete来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，不是重载。
而new在底层是调用operator new全局函数来申请空间的，delete在底层是通过调用operator delete全局函数来释放空间的。
而operator new实际也是通过malloc来动态申请空间，operator delete最终是通过free来释放空间的。

但是new与malloc不同，malloc申请空间失败返回NULL。
new申请空间失败会抛异常。

源码:

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
    // try to allocate size bytesvoid *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_FINALLYreturn;
}

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 now与operator delete的专属重载（了解）

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode 通过重载operator now与operator delete。

代码如下:

struct ListNode
{
    ListNode* _next;ListNode* _prev;int _data;void* operator new(size_t n){
    void* p = nullptr;p = allocator<ListNode>().allocate(1);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;
}

五、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

如果申请内置类型的空间，new和malloc，free和delete基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素空间，new[]和delete[]申请的是连续的空间，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

六、定位new表达式(placement-new)（了解）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用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)

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。

#include<stdlib.h>class Test
{
    
public:Test(): _data(0){
    cout << "Test():" << this << endl;}~Test(){
    cout << "~Test():" << this << endl;}private:int _data;
};void main()
{
    // 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Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(int));new(pt)Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参}

七、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。
malloc/free和new/delete的不同点是：

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

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。

7.3 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。

7.4 如何检查内存泄漏（了解）

• 在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
  
• 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
• 其他工具：内存泄漏工具比较

7.5 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。

总结一下:
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。

总结

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