[C/C++]——内存管理

前言：

c++的学习是一个爬坡的过程，希望大家坚持下去。

一、C/C++的内存分布

为了更直观的学习，我直接展示案例。大家多深入思考，一个案例会了，别的题目也就会了。

1代表代码段；2、3代表数据段；4代表堆区；5代表栈区。

value在哪里：数据段
values在哪里：数据段
values1在哪里：数据段
values2在哪里：栈区
arr在哪里：栈区
arr1在哪里：栈区 ； *arr1在哪里：栈区。
ptr在哪里：栈区 ；*ptr在哪里：代码段。
ptr1 在哪里：栈区 ；*ptr1 在哪里：堆区 。

结论：

• 内核空间：操作系统内核-kernel,受硬件保护，用户不能进行读写，用于执行各种机器指令。
• 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的共享内存，做进程间通信。
• 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(静态区)：存储全局数据和静态数据
• 代码段(常量区)：存储可执行的代码/只读常量

二、C语言中动态内存管理方式

下面我将回顾一下C语言的内存管理方式，更详细的信息可以看我以前的文章C语言动态内存管理。

涉及四个主要函数，分别为malloc、calloc、realloc、free

• malloc：动态申请一块内存空间，不进行初始化，函数原型为void* malloc(size_t size)，在使用malloc函数的返回值是要进行强制类型转换。
• calloc：动态申请内存空间，并将申请的空间的内容初始化为0。函数原型为：void* calloc(size_t num, size_tsize)，num表示申请内存空间的块数，size表示每块空间的大小。
• realloc：调整一块已经申请的内存空间的大小，函数原型为void* realloc(void* ptr, size_t size)，其中ptr指向要调整大小的内存空间、size表示调整后的内存空间大小。
• free：释放动态申请的内存空间。

三、C++中动态内存管理方式

C++兼容C语言，所以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。

malloc不方便解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题。
new是为了解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题。

3.1、new/delete操作符

在C++中，可以使用new来申请堆区内存空间，采用delete释放堆区内存空间。
new的使用语法为：

• 申请单块内存空间不初始化：数据类型*ptr = new 数据类型
• 申请数组空间不初始化：数据类型*ptr = new 数据类型[数据量]
• 申请单块内存空间并初始化：数据类型 *ptr = new 数据类型 (初始化值）
• 申请数组空间并初始化：数据类型 *ptr = new数据类型{初始化值1, 初始化值2, … }
  delete的使用语法为：
• 释放单个内存空间：delete 指向动态开辟的内存区域的指针
• 释放数组空间：delete[] 指向动态开辟的内存区域的指针 --其中[]就表示数组

3.1.2、new/delete操作内置类型

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
void test()
{
    //未初始化，结果是随机值
    int* ptr = new int;           //动态申请一个int类型的空间
    int* ptr1 = new int[10];      //动态申请10个int类型的空间
    int(*ptr2)[3] = new int[2][3]; //(*ptr2)[3]为数组指针，存放3个一维数组。
    //初始化，对应数据
    int* ptr3 = new int(10);
    int* ptr4 = new int[3]{1,2,3};
    int(*ptr5)[3] = new int[2][3]{ {1,2,3},{4,5,6} };
    cout << *ptr << endl;
    cout << *ptr1 << endl;
    cout << **ptr2 << endl;
    cout << *ptr3 << endl;
    cout << *ptr4<< endl;
    cout << **ptr5 << endl;
    delete ptr;
    delete[] ptr1;
    delete[] ptr2;
    delete ptr3;
    delete[] ptr4;
    delete[] ptr5;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

随机值是一样的，其实是编译器的一种优化。

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[]，且必须匹配起来使用。

3.1.3、new/delete操作自定义类型

C++动态内存管理和C语言动态内存管理最大的区别在于二者对于自定义类型的处理，C语言中malloc/calloc/realloc函数只负责开辟空间，free函数只负责释放空间，而C++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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    A(int vue=0)
        :a(vue),
        next(nullptr)
    {
        cout << "A():"<<this<< endl;
    };
    ~A()
    {
        cout << "~A():"<<this<< endl;
}
private:
    int a;
    A* next;

};
int main()
{
    //new的本质是开空间+调用构造函数初始化
    A* ptr = new A;
    A* ptr1 = new A(1);
    //创建A的对象
    A aa1(1);
    A aa2(2);
    A aa3(3);
    //有名对象
    A* ptr2 = new A[3]{aa1,aa2,aa3};
    //匿名对象
    A* ptr3 = new A[3]{A(1),A(2),A(3)};
    //直接给值
    A* ptr4 = new A[3]{1,2,3};
    //delete的本质是析构+释放空间
    delete ptr;
    delete ptr1;
    delete[] ptr2;
    delete[] ptr3;
    delete[] ptr4;
    return 0;
}

注意：
内置类型的对象在申请释放空间时，new和malloc除了用法有区别，别的没有区别。

3.2、认识operator new和operator delete函数

在C++中，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和operator delete 函数不是new 和delete的运算符重载，因为他们的参数没有自定义类型，而是库里实现的全局函数，只是取名为operator new和operator delete,不要被运算符重载所误导，这个需要我们进行单独的记忆；

C++底层operator new和operator delete的函数实现：

// 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，如果用户设置了应对措施，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);  //此处调用free函数
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);  // release other threads
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}

// free的实现
#define  free(p)        _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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

下面我将通过具体的实例来解释这个现象：
通过查看反汇编来验证new和delete的底层调用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int* a = new int;
    delete a;
    int* a1 = new int[10];
    delete[] a1;
    return 0;
}

对于new[]和delete[]来说，他们调用operator new[]和operator delete[]函数来实现其功能，但是他们的底层也是调用operator new 和operator delete 函数。

C和C++开辟空间失败的区别
我们知道，不断开辟空间或者开辟一块很大的空间就可能造成空间开辟失败，C语言的开辟空间失败，失败返回的是一个空指针，所以我们可以通过检查指针是否为空来判断是否开辟成功，而C++是面向对象的语言，通常采用的是抛异常的方式（抛异常必须要捕获，不捕获就会出问题），符合面向对象处理错误的方式。
抛异常的捕获方式：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	try
	{//抛异常，遇到异常直接返回，它是可以跨函数得。
		// new失败 抛异常 -- 不需要检查返回值
		char* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << (void*)p1 << endl;
		char* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << (void*)p2 << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl; //what指发生了什么
	}
	return 0;
}

3.3、了解new和delete的实现原理

3.3.1、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。

3.3.2、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

3.3.3、new和delete的实现原理

new/delete的底层是通过调用operator new和operator delete来实现的。

• new的实现原理：(1)调用operator new申请内存空间 (2)调用自定义类型的构造函数
• delete的实现原理：(1)调用自定义类型的析构函数 (2)调用operator delete释放内存空间
• new[]的实现原理：(1)调用operator new[]申请空间 (2)调用自定义类型的构造函数
• delete[]的实现原理：(1)调用自定义类型的析构函数 (2)调用operator delete[]释放空间
  

3.4、学习定位new（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。
内存池
内存池（Memory Pool）是一种动态内存分配与管理技术，通常情况下，程序员习惯直接使用new，delete，malloc,free等API申请和释放内存，这样导致的后果就是：当程序运行的时间很长的时候，由于所申请的内存块的大小不定，频繁使用时会造成大量的内存碎片从而降低程序和操作系统的性能。
内存池则是在真正使用内存之前，先申请分配一大块内存（内存池）留作备用。当程序员申请内存时，从池中取出一块动态分配，当程序员释放时，将释放的内存放回到池内，再次申请，就可以从池里取出来使用，并尽量与周边的空闲内存块合并。若内存池不够时，则自动扩大内存池，从操作系统中申请更大的内存池。

使用operator new申请动态内存空间，不会调用自定义类型的构造函数。但是有时候我们希望在operator new函数申请的空间上调用构造函数，可构造函数却不支持直接显式调用，这是就需要用到定位new来实现。
定位new使用语法：new(指向动态开辟的内存空间的指针)类名(传给构造函数的参数)
虽然构造函数不能显示调用，但是析构函数可以显示调用。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a1 = 1, int a2 = 2, double a3 = 2.2)
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
		, _a3(a3)
	{
		cout << " A(int a1 = "<<_a1<<" int a2 = "<<_a2 <<" double a3 ="<<_a3 << endl;
	}

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

private:
	int _a1;
	int _a2;
	double _a3;
};

int main()
{
	A* pa1 = nullptr;
	A* pa2 = nullptr;
	try
	{
		pa1 = (A*)operator new(sizeof(A));
		pa2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	}
	catch (const std::exception& e)
	{
	cout << e.what() << endl;
	}

	//用定位new来显示调用构造函数
	new(pa1)A(1, 2, 3.3);
	new(pa2)A(2, 3, 4.4);

	//可以显示调用析构函数
	(*pa1).~A();
	pa2->~A();
	operator delete(pa1);
	operator delete(pa2);
	return 0;
}

四、动态内存管理常规面试题

4.1 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，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

4.2 内存泄漏

如果申请了动态内存空间却不手动释放，就会造成内存泄漏。

4.2.1什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

• 动态申请内存空间，不使用了，但却没有释放，就存在内存泄漏，使可用内存越来越少。
• 对于正常结束的进程，进程结束时泄漏掉的内存会自动还给系统，不会有太大危害。
  对于非正常结束的进程，如僵尸进程，以及需要长期运行的程序，如服务器程序，出现内存泄漏的危害就很大，系统会变得越来越慢，甚至卡死宕机。
  所以，动态申请的内存空间一定要记得释放！释放动态内存使用的函数(操作符)一定要与申请动态内存时用的函数(操作符)匹配：malloc–free、new-- delete、new[] – delete[]。

4.2.2 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：

1.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。

2.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。

4.2.3 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。

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：VHD工具说明
其他工具：内存泄漏工具比较

4.2.4 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]
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