C/C++内存管理

1.C/C++内存分布
2.C语言中动态内存管理方法
- 2.1 malloc/calloc/realloc/free
3.C++内容管理方法
- 3.1new/delete操作内置类型
- 3.2 new和delete操作自定义类型
4.operator new与operator delete函数
5.new和delete的实现原理
- 5.1内置类型
- 5.2自定义类型
6定位new表达式（placement-new）（了解）
7.常见问题
- 7.1malloc/free和new/delete的区别
- 7.2内存泄漏
- - 7.2.1什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
  - 7.2.2内存泄漏分类（了解）
  - 7.2.3如何检测内存泄漏（了解）
  - 7.2.4如何避免内存泄漏

1.C/C++内存分布

在C的时候我们简单了解了一些内存分配，主要知道的有有栈区，堆区，静态区，今天具体了解C/C++中程序内存区域划分。
在这里插入图片描述

【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那块细讲）
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（这里面的是不能被修改的）

了解了内存分配，我们看下面一段代码和相关问题
在这里插入图片描述
答案：
上半部分：C C C A A
下半部分：A A A D A B

上半部分很好解释，我们主要讲下半部分，
Test栈帧开辟空间，char2是一个局部数组，abcd\0是常量存放在代码段，但是会数组会把abcd\0拷贝回数组。pChar3是一个指针存放一个地址，解引用时会去找那块空间。ptr1同样也是这样。
在这里插入图片描述

2.C语言中动态内存管理方法

2.1 malloc/calloc/realloc/free

void Test()
{

	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	//请问需要free(ptr2)吗？
	free(ptr3);
}

问：
malloc/calloc/realloc的区别？

答：
malloc/calloc/realloc都是C语言动态分配申请内存的方式，不同的是，malloc申请空间，对这块空间不进行初始化是随机值， calloc申请空间，并对这块空间进行初始化为0，realloc是动态调整这块空间的大小，当重新调整这块空间后面有足够大的空间就原地扩容，如果没有就异地扩容。并且当前如果没有这块空间使用realloc进行调整的话，realloc会充当malloc用。

问：
malloc的实现原理？

答：
glibc中malloc实现原理

3.C++内容管理方法

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。

3.1new/delete操作内置类型

int main()
{
	//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,并且初始化
	int* ptr2 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];

	//动态申请10个int类型的空间,并且初始化
	int* ptr4 = new int[10]{ 1,2,3 };

	//释放单个空间
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	//释放多个空间
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
	
	return 0;
}

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：一定记得匹配起来使用。

这样看C++ new/delete 与C malloc/free 对内置类型，除了用法上更简单一些的区别，其他没有区别了。其实C++ new/delete 设计处理主要是针对自定义类型的。

3.2 new和delete操作自定义类型

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

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

int main()
{
	A* ptr1 = new A;
	delete ptr1;

	A* ptr2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (ptr2 == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	free(ptr2);

	return 0;
}

在这里插入图片描述
new和delete对于自定义类型，相比于malloc和free，除了开辟空间，还会调用构造函数和析构函数

//使用malloc和free并不会调用构造函数和析构函数
//还需要在申请空间之后自己调用构造函数和析构函数
	A* ptr2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (ptr2 == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	//调用系析构函数
	ptr2->~A();
	free(ptr2);
	//后面内容讲调用构造函数

看下面的代码思考一下问题。

int main()
{
	A* ptr1 = new A;
	delete ptr1;

	//编译器是如何知道调用10次构造函数和10次析构函数呢？
	A* ptr2 = new A[10];
	delete[] ptr2;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

new和delete不匹配的情况

在这里插入图片描述

调用了10次构造函数，才调用一次析构函数就报错了。
在这里插入图片描述

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

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


int main()
{
//这里不写析构函数，程序运行起来又不会报错了。
	A* ptr3 = new A[10];
	delete ptr3;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

注意new和delete一定要匹配，否则就会有各种情况。

4.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。

底层机制，自定义类型
new
1.调用operator new ------>调用malloc函数
2.调用构造函数

delete
1.调用析构函数
2.调用operator delete ----->通过free释放空间

有这样一个疑问？new调用operator new函数，operator new调用malloc函数，为什么new不直接调用malloc函数呢？

operator new的实现

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);
}

这段代码主要功能是封装malloc，申请成功直接返回，申请失败抛异常。
如果直接使用malloc，申请失败返回空指针。所以使用operator new函数这样才能符合C++面向对象处理错误方式。

operator delete的实现

/*
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)

5.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 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

6定位new表达式（placement-new）（了解）

在前面我们说了，使用malloc/free并不是调用构造函数和析构函数，只能自己手动去调用，我们演示了手动调用析构函数，这里主要是讲手动调用构造函数。

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。

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

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* ptr1 = new A;
	delete ptr1;
	
	A* ptr2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (ptr2 == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	//new表达式
	new(ptr2)A; //注意，如果A类构造函数有参数，需要传参 new(ptr2)A(1);

	//调用析构函数，并且释放这块空间
	//方法1
	ptr2->~A();
	free(ptr2);
	//方法2
	delete ptr2;

	return 0;
}

由上面种种情况我们就知道，使用new/delete不管对于内置类型还是自定义类型都是比较方便的。

7.常见问题

7.1malloc/free和new/delete的区别

理解记忆：1.用法功能 2.底层

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（自定义类型）
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

7.2内存泄漏

7.2.1什么是内存泄漏，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

7.2.2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。

7.2.3如何检测内存泄漏（了解）

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()
{
	A* ptr1 = new A;

	// 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;
}

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

7.2.4如何避免内存泄漏

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。
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。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。