1.C++内存分布

学习C++内存分布之前，先小试牛刀一下。

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";
	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. 选择题：
 选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
 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. 填空题：
 sizeof(num1) = ____; 
 sizeof(char2) = ____;    strlen(char2) = ____;
 sizeof(pChar3) = ____;   strlen(pChar3) = ____;
 sizeof(ptr1) = ____;

说明：
1.栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下生长的。
2.内存映射段是高效的IO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，堆是可以向上生长的。
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

2.C++动态内存管理

C++通过new和delete操作符进行动态内存管理。

2.1.new和delete操作内置类型

void test()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	//动态申请一个int类型的空间,并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
	//动态申请十个int类型的空间,申请连续的空间，new后面要加[]号。
	int* ptr3 = new int[10];

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	//释放多个内存空间时，delete后面要加个[]号
	delete[] ptr3;
}

3.2 new和delete操作自定义类型

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

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

int main()
{
	A* ptr1 = new A(1);
	A* ptr2 = new A[3]{ 1,2 };
	delete ptr1;
	delete[] ptr2;
	return 0;
}

说明：在申请自定义类型空间的同时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数。

3.operator new与operator delete函数

3.1 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在底层调用的operator new来申请空间，delete在底层调用的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，如果改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;
}
/*
free的实现
*/
#define  free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过这个VS编译器底层代码查看，我们发现operator new实际上也是调用malloc来申请空间，如果申请成功就直接返回，如果申请失败就抛异常，这也是为什么要把malloc包装成operator new的原因，单纯的是为了满足C++new的机制。同理，operator delete最终也是通过free释放空间的。

4.new和delete实现原理

4.1 内置类型

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

4.2 自定义类型

• new的原理

1. 调用operator new函数申请空间
2. 调用构造函数

• delete原理

1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源清理工作
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. 在申请空间时执行N次构造函数

• delete[]的原理

1. 在释放对象空间上执行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。

5.定位new的表达式

定位new表达式是在已经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(initialize-list)
使用场景： 定位new的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(0)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* ptr1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (ptr1 == NULL)
	{
		perror("malloc is fail\n");
		exit(-1);
	}
	//定位new，对一段未初始化的空间，进行定位new调用构造函数进行初始化
	new(ptr1)A(1);

	ptr1->~A();
	free(ptr1);
	return 0;
}

6.malloc/free和new/delete的区别

1. 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放空间
2. malloc/free是函数，new/delete是操作符
3. 对于自定义类型：malloc申请的空间不会初始化，new申请的空间会初始化
4. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需要后面跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]指定对象个数即可。
5. malloc的返回值是void*，使用时需要强转，new不需要，因为new后跟的是空间类型
6. malloc申请空间失败时，返回的时NULL，因此使用时需要判空，new不需要，但new需要捕获异常。
7. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，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的资源清理工作。

7.内存泄漏

7.1 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在使用的内存的情况。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++程序中我们一般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要分配通过malloc/calloc/realloc/new等从堆中分配一块内存，用完后必须通过调用相应的free或者delete删除。假设程序的设计错误导致这部分内存没有释放，那么以后这部分空间就无法被使用，就会产生Heap Leak。

• 系统资源泄漏
  指程序使用系统分配的资源，比如套接字，文字描述符，管道等没有使用对应函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重导致系统效能减少，系统执行不稳定

7.3 如何避免内存泄漏

• 养成良好的编码规范，申请的内存空间记得释放
• 采用RAII思想，或者智能指针来管理资源
• 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这些库自带内存泄漏检测的功能选项
• 使用内存泄漏工具检测
  总结：
  内存泄漏问题比较常见，解决方案大概分为两种 1. 事前预防型：智能指针。2.事后查错型：泄漏检测工具