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🍭🍭系列专栏：【C++学习与应用】

✒️✒️本篇内容：C/C++内存分布，C/C++动态内存管理方法，C++动态内存管理方法底层函数operator new 和operator delete函数实现，new和delete的实现原理，定位new的概念和基础应用，内存管理常见面试题。

🚢🚢作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

一、C/C++内存分布

二、C语言中动态内存管理方式：

malloc/calloc/realloc/freemalloc/calloc/realloc的区别是什么？

相同点：

不同点：

三、C++内存管理方式（重要）

1.new/delete操作内置类型

2.new和delete操作自定义类型

四、operator new与operator delete函数（底层）

五、 new和delete的实现原理

1.内置类型

2.自定义类型

（1）new的原理

（2）delete的原理

（3）new T[N]的原理

（4）delete[]的原理

六、定位new表达式(placement-new) （了解）

七、相关常见面试题（重要）

1.malloc/free和new/delete的区别

2.内存泄漏

（1）什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

（2）内存泄漏分类（了解）

（3）如何检测内存泄漏（了解）

一、C/C++内存分布

大家可以通过下面这张图来进行直观的认识

【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。（Linux如果没学到这块，现在只需要了解一下）
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语言中动态内存管理方式：

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？ - 需要
	free(p3);
}

malloc/calloc/realloc/freemalloc/calloc/realloc的区别是什么？

相同点：

都是从堆上申请空间；
都需要对返回值判空；
都需要用户free释放；
返回值类型相同（都是void*）；
都需要类型转化；
底层实现是一样的，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间。

不同点：

函数名字不同，参数类型不同（简单来说就是使用方法不同）；
calloc函数会对申请空间初始化，并且初始化为0；
malloc函数申请空间必须使用memset进行初始化；
realloc函数是对已经存在的空间进行调整，具体有两种情况，这里就不展开了。

三、C++内存管理方式（重要）

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（自定义类型），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。

1.new/delete操作内置类型

我们来看一段代码，通过代码来了解一下具体的使用方式

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[3];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

接下来，在通过下面这幅图深入理解一下

【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[]，注意：匹配起来使用。也就是，不可以new和delete[]搭配使用，也不可以new[]和delete搭配使用。

2.new和delete操作自定义类型

【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。有兴趣的同学可以通过下面的代码调试验证一下。

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

int main()
{
	// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开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);
	free(p1);
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	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];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

四、operator new与operator delete函数（底层）

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，则会抛异常。
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
在new 和 delete的使用中，如果失败，不同于C语言的malloc 和 free会出现程序错误或崩溃，而是会抛异常。原因是因为C++对new 和 delete的底层代码进行了封装，将错误与C语言区别开。

下面是一段operator new 和 operator delete的底层代码实现，我们了解一下即可，初学阶段不必深入研究

/*
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，则会抛异常。
*/
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)

五、 new和delete的实现原理

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。

2.自定义类型

（1）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

（2）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

（3）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

（4）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

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。

下述代码是定位new的简单应用，大家了解一下即可

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

// 定位new/replacement new
int main()
{
	// 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));
	new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);

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

	return 0;
}

七、相关常见面试题（重要）

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：

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（后面会提及）
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

2.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。

void function()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];

	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.

	delete[] p3;
}