c++学习-----内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

答案揭晓：

这里很多人会误认为*char2在常量区，这其实是错误的

因为：

首先在内存字符常量区分配一块内存空间放下”abcd\0”，然后在栈中分配一块连续的内存空间，将字符常量区的”abcd\0”复制到栈中。所以，字符串数组的头指针buf所指向的字符串首地址在栈中，故是可以进行读写操作的。

想要完全答对上面的题目就需要了解c++程序中的内存区域划分

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

malloc：
在内存的动态存储区中分配一块长度为size字节的连续区域，参数size为需要内存空间的长度，返回该区域的首地址

calloc：
与malloc相似，不过函数calloc() 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零

realloc：
给一个已经分配了地址的指针重新分配空间，可以做到对动态开辟内存大小的调整。

【面试题】：malloc/calloc/realloc的区别？
1.函数malloc不能初始化所分配的内存空间,而函数calloc能.

如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过，则其中的每一位可能都是0;

反之, 如果这部分内存曾经被分配过,则其中可能遗留有各种各样的数据.也就是说，使用malloc()函数的程序开始时(内存空间还没有被重新分配)能正常进行,但经过一段时间(内存空间还已经被重新分配)可能会出现问题.

2.函数calloc() 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零

也就是说,如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存,那么这些元素将保证会被初始化为0;如果你是为指针类型的元素分配内存,那么这些元素通常会被初始化为空指针;

3.函数malloc向系统申请分配指定size个字节的内存空间.

返回类型是 void类型.void表示未确定类型的指针.C,C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针.

4.realloc可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变.

当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失.realloc并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址.相反，realloc返回的指针很可能指向一个新的地址.

5.realloc是从堆上分配内存的.当扩大一块内存空间时，realloc()试图直接从堆上现存的数据后面的那些字节中获得附加的字节，如果能够满足，此时即原地扩；

如果数据后面的字节不够，那么就使用堆上第一个有足够大小的自由块，现存的数据然后就被拷贝至新的位置，而老块则放回到堆上.这句话传递的一个重要的信息就是数据可能被移动，即异地扩容

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

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[10];
 
 delete ptr4;
 delete ptr5;
 delete[] ptr6;
}

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。

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()
{
 // 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
 A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
 A* p2 = new A(1);
 free(p1);
 delete p2;
 
 // 内置类型是几乎是一样的
 int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
 free(p3);
 delete p4;
 
 A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
 A* p6 = new A[10];
 free(p5);
 delete[] p6;
 
 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。

4. operator new与operator delete函数

4.1 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。

new和delete的底层汇编代码：

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。

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

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

6. 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。

7. 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

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

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

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。