＜C++＞ 三、内存管理

news2024/9/23 9:34:50

1.C/C++内存分布

 我们先来看下面的一段代码和相关问题

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);
}

char2是数组放在栈区，char2，对char2解引用，为a，也是放在栈区，而pchar3是个指针，表示abcd的地址，放在栈区，而abcd是普通字面量是在常量区，ptr1表示放在堆区的内存的地址,*prt表示在堆区开辟的内存

说明：

  1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。

  2. 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。

  3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。

  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语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

int main()
{
    int *p2 = (int *)calloc(4, sizeof(int));
    int *p3 = (int *)realloc(p2, sizeof(int) * 10);

    cout << p2 << endl; // 0x1061730
    cout << p3 << endl; // 0x1061730   realloc原地扩容了，当扩容的空间更大，可能就不会原地扩容了，
    // 比如sizeof(int)*100就变成了异地扩容

    // 这里需要free(p2)吗？
    // free(p2);   //因为p3原地扩容了，所以只要free一次就够了
    free(p3);

    return 0;
}

3.C++内存管理方式

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

int main()
{
    // int *p1 = new int;  //不会初始化
    int *p1 = new int(10);             // 会初始化 ，申请一个int，初始化为10
    int *p3 = new int[10];             // 申请10个int的数组,无初始化
    int *p4 = new int[10]{1, 2, 3, 4}; // 申请10个int的数组，并且初始化

    int *p2 = (int *)malloc(sizeof(int));

    delete p1;
    delete[] p3;
    delete[] p4;
    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：匹配起来使用(C++和C语言的不要混用)。

 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;
};

struct ListNode
{
    // C语言写法 - val需要另外写一个函数给值
    int _val;
    ListNode *_next;
    // C++写法，可以在new的时候初始化，更加方便
    ListNode(int val)
        : _val(val), _next(nullptr)
    {
    }
};

int main()
{
    // int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int));   //C语言
    // free(p1);
    int *p1 = new int; // C++
    delete p1;

    // int *p2 = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);   //C语言
    // free(p2);
    int *p2 = new int[10];  //C++
    delete[] p2;

    // A *p3 = (A *)malloc(sizeof(A));  //C语言也可以给类创建空间，而C++可以创建空间的同时调用构造函数
    // free(p3);

    A *p3 = new A(1); // 调用构造函数
    delete p3;        // 调用析构函数

    ListNode *n1 = new ListNode(1);   //创建新的结点，用C++方式更加方便，而C语言需要另外写一个函数给val赋值
    ListNode *n2 = new ListNode(2);
    ListNode *n3 = new ListNode(3);
    return 0;
}

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。

3.3 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：

  1. malloc和free是函数，new和delete是操作符

  2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  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

3.4 new和delete的实现原理

3.4.1 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。

3.4.2自定义类型

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，完成对象的构造

delete的原理：

1.在空间上执行析构函数，

完成对象中资源的清理工作

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.在申请的空间上执行N次构造函数

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，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

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。

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

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

private:
    int _a;
};

int main()
{
    // 失败返回nullptr
    int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int));
    // 失败了抛异常
    int *p1 = (int *)operator new(sizeof(int));

    // 申请空间 operator new->封装malloc
    // 调用构造函数
    A *p2 = new A;
    // 底层机制是先调用析构函数，再释放p2指向的空间
    delete p2;

    // 申请空间 opeator new[] ->operator new->封装malloc
    // 调用10次构造函数
    A *p6 = new A[10];

    // 先调用10次析构函数
    // 再operator delete[] p6指向的空间
    delete[] p6;
    return 0;
}

void test()
{
    // 内置类型，new和delete不匹配不会报错
    int *p7 = new int[10];
    free(p7); // 正常释放，因为不是对象，不会发生在对象中开辟内存后，没调用析构函数而导致的内存泄露

    A *p8 = new A;
    free(p8); // 少调用析构函数，但是因为A对象没有开辟新的内存在堆区，不调用析构函数也不会发生内存泄漏
}
class Stack
{
public:
    Stack()
    {
        cout << "Stack()" << endl;
        _a = new int[4];
        _top = 0;
        _capacity = 4;
    }

    ~Stack()
    {
        delete[] _a;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    int *_a;
    int _top;
    int _capacity;
};

int main()
{
    Stack st; // 正常创建对象，创建的对象在栈区，而对象中开辟的内存在堆区

    Stack *pst = new Stack; // 不是正常创建对象，pst在栈区，pst指向在堆区创建的Stack，在堆区的Stack对象开辟的内存还是在堆区
    delete pst;             // 1、先调用析构函数 2、在调用operator delete
    free(pst);              // 改写成这样，不会报错，但是少调用一次析构函数，如果对象中有新建的空间，那么就会发生内存泄漏
}

结论：new/malloc系列有底层实现机制有关联交叉。
不匹配使用，可能有问题，可能没问题，建议大家一定匹配使用

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete最终是通过free来释放空间的。

void test()
{
    A *p9 = new A[10];
    //free(p9);  
    //delete p9;
    delete[] p9;
}

VS编译器开空间会在头多开4个空间来包保存对象个数，如果free(p9)就不是free正确的位置，p9-4才是正确的位置。

如果对象中没有析构函数，就不会在头开辟4字节空间，就不会报错

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

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

private:
    int _a;
};

int main()
{
    A aa;
    A *p1 = (A *)malloc(sizeof(A));
    // 对一块已有的空间初始化 -- 定位new
    // new(p1)A;
    new (p1) A(1);

    p1->~A();
    free(p1);
    return 0;
}

6.内存泄漏

6.1 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 MemoryLeaks()
{
    // 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;
}

6.2 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。

6.3 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。

 6.4 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。

  4. 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。

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