CPP入门:CPP的内存管理模式

一.new和delete操作自定义类型

1.1C语言的内存管理

在传统的C语言中，malloc和free是无法调用类的构造和析构函数的

#include <iostream>
using namespace std;
class kuzi
{
public:
	kuzi(int a, int b)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{
		cout << "我构造啦" << this << endl;
	}
	~kuzi()
	{
		cout << "我析构啦" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};
int main()
{
	kuzi* p1 = (kuzi*)malloc(sizeof(kuzi));
	free(p1);
	return 0;
}

可以看出，并没有调用构造函数。

也是如此，采用传统的C语言的内存开辟方式不利于我们的维护工作，因此在CPP中提供了新的操纵内存的方式。

1.2CPP的内存管理方式

使用new开辟内存，delete释放内存。

#include <iostream>
using namespace std;
class kuzi
{
public:
	kuzi(int a, int b)
		:_a(a)
		, _b(b)
	{
		cout << "我是"<<this<<",我构造啦" << endl;
	}
	~kuzi()
	{
		cout << "我是" << this << ",我析构啦" << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};
int main()
{
	kuzi* p1 = new kuzi(1, 2);
	delete p1;
	return 0;
}

可以看到，我们使用new和delete时会自动调用构造函数和析构函数。

那么，C语言的内存管理和CPP的内存管理的区别在哪里呢？

1.3C与CPP内存管理的差异

C语言：C语言的内存管理函数只能开辟和释放空间

CPP：CPP的内存管理函数不仅能开辟和释放空间，而且还能够调用自定义类型的构造函数以及析构函数。

我们现在对内置类型来处理一下

int main()
{
	int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* b = new int;
	free(a);
	delete(b);
}

现在我们转到这段代码的汇编层看一下：

我们发现，这里调用了operator new 和operator delete，这两个是什么东西呢？为什么会去调用这两个函数呢？

二.operator new和operator delete函数

其实，new和delete是CPP提供给用户用以对堆区动态申请内存和释放内存的操作符，

而operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，

new的底层会去调用operator new；delete的底层会去调用operator delete。

现在我们转到new的定义去看一下：

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);
}

在这里我们发现：

operator new实际通过malloc开辟空间，当malloc申请成功了则直接返回；若申请空间失败的话，会先尝试执行空间不足的应对措施，如果用户设置了，则继续申请，否则则会抛出异常。

// 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;

下面我们来看一下operator delete的定义：

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;
}

因此我们可以看出， operator delete的底层其实是free。

这里放一下free的实现：

#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

我们可以通过下图发现，operator delete的底层是调用了free的：

三.CPP空间操作符使用深化

3.1 连续内存开辟与释放

new[]和delete[]是申请和释放连续空间的操作符。

我们是这样来使用它们的开辟和释放内存的:

int main()
{
	int* p1 = new int[10];//开辟连续的十个int空间
	delete[] p1;//释放掉这十个空间
	return 0;
}

这里需要大家注意的点是，我们无法给开辟的空间指定初始值。

3.2 非连续内存开辟与释放

int main()
{
	int* p1 = new int;//申请一个int的空间
	int* p2 = new int(10);//申请并初始化为10
	kuzi* p3 = new kuzi(3,2);//构造函数传入3，2
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
	return 0;
}

四.new和delete的实现原理

现在我们来具体的探究一下new和delete的实现原理

4.1内置类型

如果申请的是内置类型的空间，CPP和C语言提供的函数做的事是类似的。

在这里需要大家注意CPP中对单个元素和多个元素不同的操作方式。

4.2自定义类型

我们着重学习一下自定义类型的实现原理

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，完成对对象的构造。

delete的原理

1.在空间上执行析构函数，完成对对象资源的清理工作。

2.调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]

1.调用operator new[]函数，然后operator new[]中再调用operator函数完成对N个对象的申请工作。

2.调用一次，构造一次。

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，然后operator delete[]中调用operator delete来释放空间

现在我们先写一段代码过来:

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

int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A[10];//一定注意要有默认构造，否则error:不知道如何初始化
    delete p1;
	delete[] p2;
	return 0;
}

按照计算规则计算的话，A类一个对象是4个字节。

我们看到，p1的确是开辟了四个字节的空间。

但是，p2是十个对象，却开辟了44个字节的空间。这是为什么呢？

答案：在动态分配数组内存时，编译器通常会在实际的数组内存之前分配4个字节的空间，用于存储元素个数的信息，这样可以让我们在使用delete[]时，能够知道需要调用多少次析构函数。

在本例中，此图应该是这样的:

但是，如果是内置类型的话，则不会额外开一个空间去存储个数信息了。

因为内置类型并不需要调用析构函数，因此我们也没必要开一个空间存储有几个数据了。

如下例:

int* p3 = new int[10];
delete[] p3;

来个拓展内容：给大家实现下delete[ ]里的析构部分

//delete []
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
	(p2 + i)->~A();//挨个地址去调用析构
}

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：

place_address必须是一个指针，initializer - list是类型的初始化列表
第一种使用方式:new (place_address) type
第二种使用方式: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的。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的对象，需要使用new的定义表达式进行显式调用构造函数进行初始化。

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;
}

这里需要大家注意的一点是，使用placement-new是给一个空间分配对象，而不是为对象开辟空间，我们在释放时要看它是用的什么方式开辟的空间！

比如上面的代码，我们用malloc开辟的空间就用free释放，用new开辟的就用delete释放。

六.C与CPP内存管理方式对比

malloc和free是函数，但new和delete是操作符
malloc申请的空间不可初始化，但new申请的空间可以初始化
malloc申请空间需要自己手动计算空间大小并传递，但new不用
malloc申请空间失败返回NULL，因此我们要判空；new则需要捕获异常
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

7.1内存泄漏是什么？

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

7.2内存泄漏分类

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。

7.3如何检测内存泄漏

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{
	int* p = new int[10];
	// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
	_CrtDumpMemoryLeaks();
	return 0;
}

// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: < > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

因此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。

如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。

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

7.4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。
出问题了使用内存泄漏工具检测。

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