C++初阶：C/C++内存管理

一.C/C++内存分布

先来回顾一下C语言内存分区示意图如下：

代码区：

程序执行代码一般存放在代码区，字符串常量以及define定义的常量也可能存放在代码区。

常量区：

字符串，数字等常量以及const修饰的全局变量往往存放在常量区。

全局(静态)区：

将全局变量和静态变量存放在全局(静态)区：已初始化的全局变量和静态变量存放在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量存放在相邻的另一块区域。

堆区：

堆区由程序员调用malloc, calloc, realloc等分配函数进行内存空间的分配和释放，按内存地址由低地址到高地址增长。

栈区：

栈区由编译器自动分配释放，由操作系统自动管理，无须手动管理；在函数执行时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。

我们再来看下面的一段代码和相关问题：

int globalVar = 1;//数据段/静态区
static int staticGlobalVar = 1;//数据段/静态区
void Test()
{
	static int staticVar = 1;//数据段/静态区
	int localVar = 1;//栈区
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//栈区
	char char2[] = "abcd";//char2存放在栈区，*char2代表字符串第一个元素存放在栈区
	const char* pChar3 = "abcd";//pChar3存放在栈区，*pChar3存放在常量区
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1是个指针存放在栈区，*ptr1指向的内容存放在堆区
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

小结：

说明：

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；
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；
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的；
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++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。

2.1.new/delete操作内置类型

new运算符

new运算符用来申请一块连续的内存，其格式如下：

new 数据类型 (初始化列表);

malloc()函数申请内存时返回的是一个void*类型的指针，而new与malloc()不同，它分配一块存储空间并且指定了类型信息，并根据初始化列表中给出的值进行初始化，是直接可以使用的内存，这个过程称之为new一个对象。而且new动态创建对象时不必为该对象命名，直接指定数据类型即可。如果申请内存成功，返回一个类型指针；如果申请内存失败，则返回NULL。

用new可以创建基本数据类型对象，也可以创建数组对象，其格式如下：

new 数据类型 [数组长度];

使用new创建数组时，后面可以加小括号()，但括号中不可以指定任何初始值，加小括号时由编译器为其提供默认初始值，而不加小括号时不提供任何初始值。例如：

int* pi=new int[10]();//pi所指向的数组中10个元素初始化为0
char* pc=new char[10];//pc所指向的数组中没有提供初始值

C++虽然不允许定义长度为0的数组变量，但明确指出，调用new创建长度为0的数组是合法的，它返回有效的非零指针，但该指针不能进行有效的解引用操作，因为它没有指向任何元素，它主要的作用是用于比较运算。例如：

double *pd=new double[0];

delete运算符

用new运算符分配内存，使用后要及时释放以免造成内存泄漏，C++提供了delete运算符来释放new出来的内存空间，其格式如下：

delete 指针名;

直接作用于指针就可以删除由new创建的对象，释放指针所指向的内存空间。但在释放数组对象时要在指针名前加上[ ]，其格式如下：

delete [] 指针名;

如果缺失[ ]，编译器在编译时不会报错，但delete只能释放部分空间，因此在程序运行时会出现内存泄漏等问题。

int main()
{
	int* p1 = new int;//不会初始化：动态申请一个int类型的空间
	int* p3 = new int(10);//会初始化：申请一个int类型的空间，初始化为10

	int* p4 = new int[10];//申请10个int的数组，不会初始化
	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3,4 };//会初始化

	delete p1;
	delete p3;
	delete [] p4;
	delete [] p5;

	//C语言版
	//int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	//if (p2 == nullptr)
	//{
	//	perror("malloc fail");
	//}

	return 0;
}

调试分析：

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[]，要匹配起来使用。

2.2.new/delete操作自定义类型

new/delete除了可以操作内置类型，也可以操作自定义类型。

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

	//注意：不加缺省值会报错，提示：没有合适的默认构造函数可用
	/*A(int a)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}*/

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

private:
	int _a;
};
//
//匹配使用，不要交叉，否则结果是不确定的，malloc出来的就要用free释放，new出来的就要用delete释放，不要混淆了
int main()
{
	//new/delete 和 malloc/free 最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开辟空间还会调用构造函数和析构函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);//调用构造函数

	free(p1);
	delete p2;//调用析构函数

	// 内置类型几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;

	free(p3);
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];//调用10次构造函数

	free(p5);
	delete[] p6;//调用10次析构函数

	return 0;
}

运行结果：

注意：

要匹配使用，不要交叉，否则结果是不确定的，malloc出来的就要用free释放，new出来的就要用delete释放，不要混淆。

三.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。如下所示：

//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。
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;
}

案例：

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

	//注意：不加缺省值会报错，提示：没有合适的默认构造函数可用
	/*A(int a)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}*/

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* a = new A(1);

	delete a;

	return 0;
}

反汇编分析：

小结：

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。

提问：

既然operator new和operator delete这两个全局函数是用malloc和free实现的，那我们是否可以用operator new和operator delete来实现malloc和free的功能？

答案：可以。

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

	//注意：不加缺省值会报错，提示：没有合适的默认构造函数可用
	/*A(int a)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}*/

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//内置类型
	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
	int* p2 = new int;
	operator delete(p1);
	delete p2;

	//自定义类型
	A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));//不会调用构造函数
	A* p4 = new A(1);
	operator delete(p3);//不会调用析构函数
	delete p4;

	return 0;
}

四.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。

int main()
{
	//内置类型

	//失败了抛出异常
	//int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
	int* p1 = new int;

	//失败了返回空
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int*));
	if (p2 == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
	}

	return 0;
}

自定义类型

new的原理：

调用operator new函数申请空间；
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。

delete的原理：

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作；
调用operator delete函数释放对象的空间。

new T[N]的原理：

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；
在申请的空间上执行N次构造函数。

delete[]的原理：

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；
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

案例一：自定义类型

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

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//自定义类型

	//申请空间：operator new -> 封装malloc
	//调用构造函数
	A* p5 = new A;

	//先调用析构函数
	//再operator delete p5指向的空间
	delete p5;

	//申请空间：operator new[] -> operator new -> 封装malloc
	//调用10次构造函数
	A* p6 = new A[10];

	//先调用10次析构函数
	//再operator delete[] p6指向的空间
	delete[] p6;

	
	A* p9 = new A[10];
	//free(p9);
	//delete p9;//把自定义的析构函数屏蔽掉，则不会调用析构函数，可以运行通过，此时的编译器也不会去多开辟4个字节的空间来存放元素个数10
	delete[] p9;//vs编译器会多开4个字节的空间存放个数10，

	return 0;
}

解析：

案例二：自定义类型不匹配问题

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

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

private:
	int _a;
};

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_a = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}

	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	//内置类型不匹配通常不会报错
	int* p7 = new int[10];
	free(p7);

	//自定义类型不匹配
	A* p8 = new A;
	//free(p8);//少调用析构函数，但由于不涉及内存申请，通常不会报错
	delete p8;

	Stack st;//st存放在栈上，为12字节，其中存放了_a等，通过调用构造函数为_a开辟了16字节的内存空间，并指向了这块空间

	Stack* pst = new Stack;//pst存放在栈上，为指针占4个字节，new时会去堆上开辟12个字节的空间存放_a等，通过调用构造函数为_a开辟了16字节的内存空间，并指向了这块空间
	//free(pst);//少调用析构函数，但由于涉及内存申请，导致内存泄漏，但不会报错
	delete pst;//先调用析构函数释放_a所指向的内存空间（16字节），再调用operator delete(pst)释放new时在堆上开辟12个字节的空间

	//结论
	//由于 new/delete 底层实现机制有关联交叉。不匹配使用时，可能有问题，可能没问题，建议大家一定匹配使用

	return 0;
}

解析：

五.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)

注意：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(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A aa;

	//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，因为构造函数没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (p1 == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
	}

	//对一块已有空间初始化--定位new
	//new(p1)A;//注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	new(p1)A(1);
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);

	return 0;
}

六.malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：它们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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符；
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化；
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；
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；
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；
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。

七.内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏有什么危害？

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。