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目录
- 一、C/C++内存分布
- 二、C语言中动态内存管理
- 2.1 面试题
- 三、C++内存管理方式
- 3.1 new/delete操作内置类型
- 3.2 new和delete操作自定义类型
- 四、operator new与operator delete函数（重点）
- 4.1 介绍operator new与operator delete函数
- 4.2 new和delete的底层原理
- 五、new和delete的实现原理
- 5.1 内置类型
- 5.2 自定义类型
- 六、定位new表达式(placement-new) （了解）
- 七、常见面试题
- 7.1 malloc/free`和`new/delete的区别
- 7.2 内存泄漏
- 7.2.1 什么是内存泄漏
- 7.2.2 内存泄漏的危害
- 7.2.3 内存泄漏分类（了解）
- 7.2.4 如何避免内存泄漏
一、C/C++内存分布
首先回顾，数据是如何在内存中存储的：
接着可以来看看以下的题目：
【选择题】
选项:
A.栈(局部变量)
B.堆
C.静态区(全局变量和静态变量)
D.代码段(常量区)
1. a在哪里？
2. static_b在哪里？
3. static_c在哪里？
4. d在哪里？
5. arr1在哪里？
6. arr2 在哪里？
7. *arr2在哪里？
8. arr3在哪里？
9. *arr3在哪里？
10. ptr1在哪里？
11. *ptr1在哪里？
【答案 + 解析】
【填空题】
1. sizeof(arr1) = ____;
2. sizeof(arr2) = ____;
3. sizeof(arr3) = ____;
4. sizeof(ptr1) = ____;
5. strlen(arr2) = ____;
6. strlen(arr3) = ____;
【答案+ 解析】
【问答题】
sizeof和strlen区别？
strlen函数用于计算字符串的长度，只统计字符串中字符的数量，不包括结尾的空字符。- 而
sizeof操作符用于计算变量或类型的大小，一般单位为字节，通常用于计算内存大小。
若还想做以上类似题目 —> [点击跳转]
二、C语言中动态内存管理
往期回顾：[C语言中动态内存管理]
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
using namespace std;
int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
free(p3);
return 0;
}
问：这里需要
free(p2)吗？
答案当然是不需要的。realloc功能是在已有的内存空间扩容，然而扩容会存在原地扩容和异地扩容(当原有空间之后没有足够大的空间)。但是扩容后，返回的是调整之后的内存的起始地址，也就p2指向的地址，因此只要释放了p3，p2自然而然就被释放掉了。
2.1 面试题
malloc/calloc/realloc的区别？
malloc和calloc都是向内存申请空间，不同的是malloc分配的内存区域中的初始值是随机的，而calloc会将分配的内存区域中的初始值全部初始化为0realloc可以扩大原有的内存空间，而扩容的方式有2种，一种是原地扩容(在已有的内存空间后扩容)；还有一种是异地扩容(当原有空间之后没有足够大的空间)，它的扩容方式是：它会在内存空间重新开辟一块空间，然后 把原有的内存空间中的数据复制到新的空间，最后再释放原有的内存空间
malloc的实现原理
- 维护一个空闲内存块链表，其中每个内存块都记录了其大小和是否已被分配。
- 当程序调用malloc函数请求分配一块内存时，遍历空闲内存块链表，找到第一个大小足够的内存块并将其从链表中移除。
- 如果找到的内存块比请求的内存大，则将其分裂成两个部分，一个用于满足请求，另一个用于将来的分配请求。
- 如果没有找到足够大小的内存块，则向操作系统请求更多的内存。
- 将已分配的内存块的大小和状态记录下来，并将其返回给程序。
需要注意的是，malloc的实现可能因操作系统和编译器而异，但其基本原理都是以上述步骤为基础的。同时，为了避免内存泄漏和内存碎片化等问题，malloc通常还会实现一些额外的功能，如内存池、缓存、对齐等。
三、C++内存管理方式
由于
C++是兼容C语言的，因此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。
3.1 new/delete操作内置类型
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
// C语言版
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);
// C++版 new + delete
// 用法： new + 类型
int* p2 = new int;
delete p2; // 释放
// 开辟40个字节，也就是10个整型
// C语言版
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
free(p3);
// C++版
int* p4 = new int[10];
delete[] p4;
return 0;
}
当然，C++中的new还能对空间进行初始化
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int* p4 = new int[10]{ 1, 2 ,3 };
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
cout << p4[i] << ' ';
}
cout << endl;
delete[] p4;
int* p5 = new int(10);
cout << *p5 << endl;
delete p5;
return 0;
}
【程序结果】
注意：
p4是申请10个int的数组，对于数组要用{}初始化；p5是申请1个数组，初始化为10，用()初始化- 若不进行初始化，
new和malloc一样，开辟的空间都是 随机值
new和delete操作符需要 匹配 起来使用，不能与malloc和free混用
3.2 new和delete操作自定义类型
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（new）和析构函数（delete）。
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
using namespace std;
struct ListNode
{
public:
// 构造函数
ListNode(int x)
:_val(x)
, _next(nullptr)
{
cout << "调用了构造函数" << endl;
}
// 析构函数
~ListNode()
{
cout << "调用析构函数" << endl;
}
int _val;
struct ListNode* _next;
};
struct ListNode* BuyListNode(int x)
{
// 单纯开空间
// C语言版太太太长了
struct ListNode* newnode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
if (newnode == nullptr)
return nullptr;
newnode->_next = nullptr;
newnode->_val = x;
return newnode;
}
int main()
{
// C语言版
struct ListNode* n1 = BuyListNode(1);
struct ListNode* n2 = BuyListNode(2);
struct ListNode* n3 = BuyListNode(3);
// 开空间+调用构造函数初始化
ListNode* nn1 = new ListNode(1);
ListNode* nn2 = new ListNode(2);
ListNode* nn3 = new ListNode(3);
delete nn1;
delete nn2;
delete nn3;
return 0;
}
【调试结果 + 程序运行结果】
四、operator new与operator delete函数（重点）
4.1 介绍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。注意：不是对new和delete重载
以下是operator new和operator new的源码
/*
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)
// 是个宏
通过以上两个全局函数，我们发现：
operator new函数实际是通过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。operator new函数本质是封装了malloc。operator delete本质是封装了free。
以下是operator new和operator delete的使用方法：
// operator new和operator new是库函数提供的
// 因此可以直接使用
// 用法和malloc、free是一样的
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
operator delete(p1);
return 0;
}
通过以上代码我们发现：
operator new和operator delete的用法和功能都分别与malloc、free一样。它们都不会去调用构造函数和析构函数，不过还是有区别的：
operator new不需要检查开辟空间的合法性（不需要特别判断p1的返回值）。operator new开辟空间失败就抛异常（对于面向对象语言处理失败，不喜欢用返回值，建议用抛异常）。
4.2 new和delete的底层原理
new的底层原理就是转换成调用operator new + 构造函数，我们可以通过查看反汇编来验证：
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int x = 0)
:_a(x)
{
cout << "A(int x = 0)" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* a1 = new A;
delete a1;
return 0;
}
【反汇编】
- 同样的，
delete的底层原理：转换成调用operator delete + 析构函数
【反汇编】
因此，我们就可以得到new、operator new、malloc和delete、operator delete、free之间的关系：
五、new和delete的实现原理
5.1 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。
5.2 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 类型[数组元素个数]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
六、定位new表达式(placement-new) （了解）
- 用途
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(指针) + 类型new (指针) type(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（内存池知识点）。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 <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
// 构造函数
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
// 析构函数
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1指向一块内存空间，但空间未被初始化
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
// 定位new表达式：new(指针) + 类型
// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
new(p1)A;
// 调用析构函数
p1->~A();
// p1的空间是malloc出来的
// 因此要用free来释放
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
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- 不同点是：
①malloc和free是 函数，new和delete是 操作符
②malloc申请的空间 不会初始化，new可以 初始化
③malloc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
④malloc的返回值为void*, 使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
⑤malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，而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
7.2.1 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。
7.2.2 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。
7.2.3 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，就会产生堆内存泄漏
- 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。
7.2.4 如何避免内存泄漏
- 事前预防型。如 智能指针 等。
- 事后查错型。如泄漏检测工具。
1. linux下内存泄漏检测工具
3. 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
3. 其他工具：内存泄漏工具比较
