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零、前言

本章将学习掌握C++的内存管理，以及明白C和C++内存管理的相同与不同

一、C/C++内存分布

• 示例：

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);
}

• 变量储存分布：

• 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 (指令以及常量)

二、C语言动态内存管理

注：具体相关知识

• malloc/calloc/realloc/和free：

示例：

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	// 	malloc在堆上开辟对应字节的空间，不初始化
	// 	calloc开辟对应字节的空间并初始化为0
	// 	realloc调整应经动态开辟空间的大小，可以扩容也可以缩小
	free(p1);//申请动态开辟空间需要进行释放，否则可能造成内存泄漏
	//realloc扩容有两种情形，一是在原空间上进行扩(后面有足够大的空间)
	//二是另找一足够大的空间进行开辟，并将原空间内容拷贝(原空间后没有足够大的空间)，且自动释放原空间
	//所以此处只需要释放p3就行了
	free(p3);
}

三、C++动态内存管理

• 概念：

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

• 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3
	int* ptr5 = new int(3);
	// 动态申请3个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];
	int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};//开辟并初始化
	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[]，一定要匹配使用，否则可能出错

• new和delete操作自定义类型：

示例：

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};
void Test2()
{
	// 申请单个Test类型的空间
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);
	// 申请10个Test类型的空间
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test) * 10);
	free(p2);
}
void Test3()
{
	// 申请单个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;
	// 申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[] p2;
}

• 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

四、operator new与operator delete函数

1、operator new与operator delete函数

• 概念：

1. 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

2. 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

• 底层实现：

/*
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，如果改应对措施用户设置了，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)

• 总结：

1. operator new 实际也是通过malloc来申请空间
2. operator delete 最终是通过free来释放空间的
3. 即operator new和operator delete都是在堆上申请释放空间（和malloc和free完全一样），不同的是malloc失败返回NULL，operator new失败抛异常(更符合C++机制)

2、operator new与operator delete的类专属重载

• 概念：(了解)

对于全局，系统会自动提供operator new/ operator delete。由全局共享，但这样效率不高。所以对于频繁调用的对象进行重载专属的operator new/ operator delete，便于提高效率(池化技术)

• 示例：链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _data;
	void* operator new(size_t n)
	{
		void* p = nullptr;
		p = allocator<ListNode>().allocate(1);
		cout << "memory pool allocate" << endl;
		return p;
	}
	void operator delete(void* p)
	{
		allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
		cout << "memory pool deallocate" << endl;
	}
};
class List
{
public:
	List()
	{
		_head = new ListNode;
		_head->_next = _head;
		_head->_prev = _head;
	}
	~List()
	{
		ListNode* cur = _head->_next;
		while (cur != _head)
		{
			ListNode* next = cur->_next;
			delete cur;
			cur = next;
		}
		delete _head;
		_head = nullptr;
	}
private:
	ListNode* _head;
};
int main()
{
	List l;
	return 0;
}

五、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. 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(placement-new)

• 概念：（了解）

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

• 示例：

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
    //等价于使用Test* pt=new Test;
    Test* pt = (Test*)operator new(sizeof(Test));
    new(pt) Test;//显示调用构造函数
    //等价于使用 delete pt;
    pt->~Test();//显示调用析构函数
    operator delete(pt);
}

七、常见面试题

1、malloc/free和new/delete的区别

• 共同点：

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放

• 不同点：

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

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

2、内存泄漏

• 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

• 内存泄漏分类：

1. 堆内存泄漏(Heap leak)：

• 示例：

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
}
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;
}

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

• 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:内存泄漏解决方案分为两种

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

3、如何一次在堆上申请4G的内存

对于32位的栈来说虚拟地址空间有2个G的空间大小

对于64位的栈来说虚拟地址空间的空间大小是非常大的

• 示例：

// 将程序编译成x64的进程，运行下面的程序
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	void* p = new char[0xfffffffful];
	cout << "new:" << p << endl;
	return 0;
}

• 平台vs2019x32：

• 平台vs2019x64：