C语言与C++中内存管理详解

内存分布

主要段及其分布

? 每个程序运行起来以后，它将拥有自己独立的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间的大小与操作系统的位数有关系。32位硬件平台的虚拟地址空间的地址可以从0~2^32-1,即0x00000000~0xFFFFFFFF,总共4GB大小。64位硬件平台的虚拟地址空间则会很大。C/C++程序在虚拟内存中的排布大概如下所示（仅仅列出了相关的主要段）：

如上图所示：

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap） — 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 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，注意不释放的话会造成内存泄漏。

3、数据段（静态区）（static）—，全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后由系统释放。

4、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。

5、代码段—存放函数体的二进制代码，直接的操作数也是存储在这个位置的。如int a=4;。

动态内存管理方式-堆区

C语言动态内存管理

C语言中使用malloc/calloc/realloc/free四个函数来进行动态内存管理

1、malloc：用来动态申请一块内存，但不初始化。

2、calloc: 动态申请一块内存，但会将申请出的内存初始化为0。

3、realloc: 当申请出的内存不够用时，会使用realloc来动态扩容（会有一定程度的消耗）。

4、free： 用来释放动态申请的的内存(当内存不用时一定要使用free来释放它，否则会造成内存泄漏)

C++动态内存管理

? 因为C++是兼容C的也可以使用上述的几个函数来进行内存管理，但是C++中引入了new/delete两个操作符来进行内存的申请和释放。

new和delete的用法

1、操作内置类型

//申请单个对象
int *p1=new int;//动态申请一块int类型的空间。
int *p2=new int(3);//动态申请一块int类型的空间，并将其初始化。
?
delete p1;
delete p2;
?
//动态申请一块连续空间
int *p3=new int[10];//[]中是对象个数
?
//释放
delete [] p3;

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[]。

2、操作自定义类型

class Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
int main()
{
    //申请单个自定义类型的空间
    Test* p1=new Test;
    delete p1;
    
    //申请多个自定义类型的连续空间
    Test* p2= new Test[10];
    delete [] p2;
    
    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。

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。

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1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:该函数实际通过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;
}

new和delete的实现原理

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、调用operatordelete 函数释放空间
• 2、在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作

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

定位new表达式

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 Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
void Test()
{
    // pt现在指向的只不过是与Test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
    Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));
    new(pt) Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
}

高频面试题

重点new/delete和malloc/free的区别

1、 属性

new/delete是C++关键字，需要编译器支持。malloc/free是库函数，需要头文件支持。

2、 参数

使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小，编译器会根据类型信息自行计算。而malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。

3、 返回类型

new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。而malloc内存分配成功则是返回void * ，需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。

4、 分配失败

new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常。malloc分配内存失败时返回NULL。

5、 自定义类型

new会先调用operator new函数，申请足够的内存（通常底层使用malloc实现）。然后调用类型的构造函数，初始化成员变量，最后返回自定义类型指针。delete先调用析构函数，然后调用operator delete函数释放内存（通常底层使用free实现）。

malloc/free是库函数，只能动态的申请和释放内存，无法强制要求其做自定义类型对象构造和析构工作。

6、 重载

C++允许重载new/delete操作符，特别的，布局new的就不需要为对象分配内存，而是指定了一个地址作为内存起始区域，new在这段内存上为对象调用构造函数完成初始化工作，并返回此地址。而malloc不允许重载。

7、 内存区域

new操作符从自由存储区（free store）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上动态分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。自由存储区不等于堆，如上所述，布局new就可以不位于堆中。

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。

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

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