CC++内存管理【非常详细，对新手友好】

文章目录

  • 一、程序内存划分
    • 1.基础知识
    • 2. 堆栈的区别
    • 3. 题目练手
  • 二、C语言中动态内存管理方式
  • 三、C++中动态内存管理方式
    • 1. new/delete操作内置类型
    • 2. new/delete操作自定义类型
  • 四、operator new和operator delete函数
    • 1. 汇编查看编译器底层调用
    • 2. 透过源码分析两个全局函数
  • 五、new和delete的底层实现
    • 1.内置类型
    • 2.自定义类型
  • 六、定位new表达式
    • 1. 使用格式与使用场景
  • 七、内存泄漏
    • 1. 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
    • 2. 内存泄漏分类（了解）
    • 3. 如何检测内存泄漏（了解）
    • 4. 如何避免内存泄漏

一、程序内存划分

1.基础知识

当我们运行一个程序时，这个程序所需要的数据及代码就会加载到内存中，不同的数据会放在内存的不同位置，内存不同位置的操作者也不同。
一般来说，一个程序所占用的内存主要分为以下几个部分：堆区、栈区、共享段库、静态区/数据段、代码段。

  1. 栈区：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配栈区运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
  2. 堆区：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分配方式类似于链表。堆区主要进行动态内存分配，堆区的内存大小不固定，可以根据需要动态分配和释放。
  3. 共享段库：
  • （1）文件映射[通过使用函数如mmap0或CreateFileMapping0]
  • （2）动态库[包含可以被程序在运行时动态加载的代码和数据]
  • （3）匿名映射[将内存映射到进程地址空间的方式，而不是映射具体的文件]
  1. 静态区/数据段：存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。其在程序编译时就确定了变量的存储空间大小和内存地址，具有固定的大小和位置。
  2. 代码段：存储**程序指令(代码)**的一块内存区域，也被称为文本段(TextSegment)，代码段通常是只读的，因为程序指令一般不应该被修改，代码段中存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。
    在这里插入图片描述

2. 堆栈的区别

堆（Heap）与栈（Stack）是开发人员必须面对的两个概念，在理解这两个概念时，需要放到具体的场景下，因为不同场景下，堆与栈代表不同的含义。一般情况下，有两层含义：
（1）程序内存布局场景下，堆与栈表示两种内存管理方式。
（2）数据结构场景下，堆与栈表示两种常用的数据结构。

我们这里讲的是程序内存布局的场景，不讲数据结构中的堆和栈。

栈简介
栈由操作系统自动分配释放 ，用于存放函数的参数值、局部变量等，其操作方式类似于数据结构中的栈。栈的内存地址生长方向与堆相反，由高到低，（栈是向低地址方向生长的）所以后定义的变量地址低于先定义的变量。栈中存储的数据的生命周期随着函数的执行完成而结束。

int a = 10; //栈
char str[] = "str"; //栈
char *p;  //栈

堆简介
堆由开发人员分配和释放， 若开发人员不释放，程序结束时由 OS 回收，分配方式类似于链表。堆的内存地址生长方向与栈相反，由低到高。（堆是向高地址方向生长的）堆中存储的数据若未释放，则其生命周期等同于程序的生命周期。

int main() {
	// C 中用 malloc() 函数申请
	char* p1 = (char *)malloc(10);
	// 用 free() 函数释放
	free(p1);
   
	// C++ 中用 new 运算符申请
	char* p2 = new char[10];
	// 用 delete 运算符释放
	delete[] p2;
}

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3. 题目练手

刚学习了新知识我们来巩固一下，做几个题练练手。对calloc和realloc不清楚的可以先看下一节，C语言中的动态内存管理方式。
在这里插入图片描述
答案：
在这里插入图片描述
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【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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
  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

sizeof和strlen的区别：
sizeof是操作符不是函数，它是用来计算对象或者类型创建的对象所占内存空间的大小。
strlen是函数，它是用来求字符串长度的，计算的是字符串在’\0’之前出现的字符个数，如果没有看到’\0’就会继续往后找。

二、C语言中动态内存管理方式

由于本文主要讲的是C++中的动态内存管理，所以对C语言的会比较简略，如果想要深度了解，可以看看别的文章。

malloc/calloc/realloc的区别

  • malloc用于分配指定大小的未初始化内存块，不会对申请出来的内存做初始化工作。
  • calloc用于分配指定数量和大小的连续内存块，并将其初始化为0。
  • realloc用于重新分配内存块的大小，并尽可能的保留原有数据。它有两种扩容机制分别是【本地扩容】和【异地扩容】。

【本地扩容】
即在本地就有足够的空间可以扩容，此时直接在后面续上新的空间即可。
【异地扩容】
当后边没有足够的空间可以扩容时，realloc会自动找一个满足空间大小的新的连续空间。把旧空间里面的数据拷贝到新空间中，并把旧空间释放掉（无需手动释放），同时返回新空间的地址。

void Test ()
{
	int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
	// 这里需要free(p2)吗？
	free(p3 );
}

三、C++中动态内存管理方式

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。

1. new/delete操作内置类型

对于C语言来说申请内存需要用malloc，释放内存需要用free，对于C++来说申请内存需要用new，释放内存需要用delete。对于普通空间来说，我们直接delete即可，但对于数组来说我们要使用delete []。

void Test()
{
  // 动态申请一个int类型的空间
  int* ptr4 = new int;
  
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr5 = new int(10);
  
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[3];
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

在这里插入图片描述

2. new/delete操作自定义类型

对于内置类型来说new，malloc与free，delete区别不大，但在自定义类型上，它们差别可就大了。它们之间最大的差别就是用new去建立一个自定义类型时，会先创建该自定义类型，然后自动调用该自定义类型的构造函数，用delete来释放一个自定义类型的时候会先调用它的析构函数，再释放内存。而malloc和free是不会自动调用构造函数和析构函数的。

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    // new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间
    //还会调用构造函数和析构函数
    cout << "malloc申请自定义类型： " << endl;
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    cout << "new申请自定义类型： ";
    A* p2 = new A(1);
    cout << "free释放自定义类型：" << endl;
    free(p1);
    cout << "delete释放自定义类型：";
    delete p2;
    // 内置类型是几乎是一样的
    cout << "内置类型基本没有差别：" << endl;
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;
    cout << "malloc申请10个自定义类型： " << endl;
    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
    cout << "new申请10个自定义类型： " << endl;
    A* p6 = new A[10];
    cout << "free释放10个自定义类型" << endl;
    free(p5);
    cout << "delete释放10个自定义类型" << endl;
    delete[] p6;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

【总结】
动态申请内置类型的数据：

  • new/malloc、free/delete除了用法上面，没有什么本质区别。
    动态申请自定义类型的数据：
  • new/malloc、free/delete除了用法上面，还有一个最大的区别就是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。
    malloc出来的要用free释放，new出来的要用delete释放，不要混用。

四、operator new和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。

1. 汇编查看编译器底层调用

我们可以调用汇编来查看在使用new和delete的时候，底层到底干了什么我们不知道的事情。

    A* p2 = new A(1);
    delete p2;

new在底层调用operator new全局函数来申请空间

  • 这里我们有两个关注点，就是这两个call指令，该指令可以用来调用函数，我们可以看到，new在底层分别调用了operator new去堆区开空间和调用A::A这个构造函数去进行初始化工作。
    在这里插入图片描述
    delete在底层调用operator delete全局函数来释放空间
  • 同理我们这里也有两个关注点就是这两个call指令，进行了两次函数调用，第一次是先调用A::~A析构函数来进行自定义类型的清理工作，然后再调用operator delete释放从堆区申请的资源。
    在这里插入图片描述

2. 透过源码分析两个全局函数

  • operator new，通过查看它的源码我们可以发现，它内部还是使用【malloc】去堆区申请空间的。
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，仔细观察我们可以发现这段代码调用了一个_free_dbg的函数，其实这个函数就是C语言中的【free】，那么可以得出结论就是operator delete类似是调用了【delete】来进行释放空间的。
/*
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)

拓展
那既然这俩全局函数底层就是【malloc】和【free】的话，那岂不是我们可以直接使用operator new和operator delete来进行替代呢？
准确来说是这样的，例如以下程序我们将mallloc和free用两个全局函数替换然后运行发现，效果等同于【malloc】和【free】。

int main(void)
{
        int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
        int* p2 = new int;

        operator delete(p1);
        delete p2;

        A* a1 = (A*)operator new(sizeof(A));
        A* a2 = new A(1);

        operator delete(a1);
        delete a2;
        return 0;
}

五、new和delete的底层实现

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。

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

六、定位new表达式

1. 使用格式与使用场景

【概念】：定位new表达式是C++中的一种内存分配方式，它允许在特定的内存位置上创建对象。它与常规的new表达式不同，常规的new表达式会自动分配内存，并返回指向新分配内存的指针
【使用格式】：

new (place_address) type
//或
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(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
// 定位new/replacement new
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;
}

七、内存泄漏

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;
}

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。

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()
{
 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：在linux下内存泄漏检测
  • 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

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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