C++之内存管理

本节目标

1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

3. C++内存管理方式(重要)

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

3.3 类型不匹配导致的错误

3.4 new与malloc开辟空间失败的区别

4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator new与operator delete函数

5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

7. 常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

7.2.2 内存泄漏分类（了解）

7.2.3 如何检测内存泄漏（了解）

7.2.4 如何避免内存泄漏

8. C++内存分布总结

本节目标

1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理

3. C++中动态内存管理

4. operator new与operator delete函数

5. new和delete的实现原理

6. 定位new表达式(placement-new)

7. 常见面试题

1.C/C++内存分布

在此之前，我们问一个这样的问题：代码是存放在哪里的？是栈、堆、还是静态区或者常量区呢？事实上这个问题的答案与这几个选项无关，代码是存在文件里的。那我们所提到的栈、堆等存储空间又是怎么回事呢？对于代码来说，只有在代码正在运行的情况下，其不同种类的变量将会由编译器存放在相应的存储空间上，这时才是对于栈、堆、静态区等存储空间的利用。

既然上面的了解了，那我们就可以讨论一下相关问题（运行时的存储位置）

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);
}
1. 选择题：
选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？____  staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____  localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
char2在哪里？____  *char2在哪里？___
pChar3在哪里？____    *pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____     *ptr1在哪里？____
2. 填空题：
sizeof(num1) = ____; 
sizeof(char2) = ____;    strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____;   strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

那我们就分析一下这几个问题：

选择题：

globalvar：对于全局变量来说，其与static修饰的静态变量一样，存储在数据段也就是静态区，因此选项为C

staticGlobalVar：既是全局又是static修饰的变量，因此也为C

staticVar： static修饰的局部变量，也存在静态区，C

localVar：对于主函数中的此变量，是在主函数开辟的栈帧中存储的，因此是存在栈上的，选项为A

num1：是数组名，因此也在主函数的栈上，选项为A。

再看一下后六个：

char2： char2是数组，因此在主函数创建的栈上面，A。

*char2：对于右面的字符串来说，属于常量区，因此这个常量字符串的地址也在常量区，由于*char2与其类型不匹配，*char2为char类型，字符串为const 类型，这时候强转中间就会在栈上产生char类型的临时变量,再将这个临时变量赋给*char2，因此也在栈上，A。

pChar3：对于pchar3，const修饰的是*pchar3而不是pchar3，即pchar3可以修改，那么pchar3仍然在栈上。（即常变量也在栈上）

*pChar3： pchar3是在栈中并且存放的是地址，而这个地址指向的是常量区的常量字符串，也就是*pchar3，因此选项为D。

ptr1： ptr1是在栈上定义的指针变量，因此在栈上

*ptr1： *ptr1是ptr1在栈上指向的内容，也就是由栈指向堆，因此*prt1在堆上，B。

微信图片_20230225162312.png

填空题：对于填空题来说，事实上都是很简单的内容，因此这里提供答案：

sizeof(num1) = 40;

sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;

sizeof(pChar3) = 4/8 ; strlen(pChar3) = 4;

sizeof(ptr1) = 4/8;

2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

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 );
}

对于第一个问题，我们直接转到之前的文章即可：C语言动态内存管理

对于第二个问题，我们知道realloc的原理是释放旧空间，开辟新空间，因此realloc时，p2原本的位置已经被释放掉了，因此不需要free(p2)。

3. C++内存管理方式(重要)

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。

3.1new/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[3];
 delete ptr4;
 delete ptr5;
 delete[] ptr6;
}

微信图片_20230221230325.png

微信图片_20230221230331.png

我们发现，new的方式既可以给其初始化也可以不初始化。需要对单一开辟的初始化，就加上(n)n为具体数字，如果想对开辟的数组初始化，就需要{}

微信图片_20230221230430.png

初始化盛夏的则会初始化成0

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。

因此，对于内置类型来说，new/delete相比malloc/free除了用法上没有区别。

3.2new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;
};
struct ListNode
{
  ListNode* _next;
  int _val;
  ListNode(int val)
    :_next(nullptr)
    ,_val(val)
  {}
};
int main()
{
  //自定义类型
  //new和delete相比malloc/free，除了空间管理还会调用构造函数和析构函数
  A* p1 = new A;
  A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
  delete p1;
  free(p2);
  ListNode* n1 = new ListNode(1);
  ListNode* n2 = new ListNode(2);
  ListNode* n3 = new ListNode(3);
  ListNode* n4 = new ListNode(4);
  n1->_next = n2;
  return 0;
}

对于上述代码，存在两个类，A和ListNode，都属于自定义类型。

对于上述代码，存在两个类，A和ListNode，都属于自定义类型。我们依次讨论：

对于A类：

微信图片_20230225162505.png

当我们运行new开辟的p1时，会发现其调用了构造和析构函数。

微信图片_20230225162510.png

而malloc出来的p2并没有调用，因此这就是在C++中需要new代替malloc的原因。

对于ListNode类：

事实上，这便是通过new来进一步简化创建链表的操作：

微信图片_20230225162514.png

即通过调用构造函数的初始化列表，就可以将链表节点创建出来。但对于malloc来说，就会很麻烦。（ListNode并不是结构体，而是类，即以类的对象为节点）

3.3类型不匹配导致的错误

上述我们已经提到，对于new需要delete;对于new[]需要delete[]，那如果我们用new但用的是delete[]或者用new[]却用delete会发生什么错误呢？

这里事实上在不同编译器上会有不同的情况发生，由于我用的是VS2019，因此在这里将粗略的谈一下以上两种情况是如何出错的。（不重要)

1. new和delete[]：

对于这个组合，我们先思考一下，为什么delete[]没有具体的数字就知道删掉对应开辟空间的数量呢？事实上，在我们delete[]时，其会在原本一排空间的前面自动开辟一个空间，而这个空间内部的值就是需要删掉空间的数量，即delete[]会将这个自动开辟的空间也一并删除，但对于new来说，仅仅开辟了一个空间，因此这样删除事实上增加了负担，但事实上不会报错。

2. new[]和delete:

事实上，这里的delete也相当于free，因此并不会产生内存泄漏，但是不建议这样使用。

对于这个不匹配，如果调用析构函数，就会对第二情况造成错误，我们只需要了解即可。

3.4 new与malloc开辟空间失败的区别

对于malloc开辟空间失败我们知道，其会返回空指针，即我们可以将此为判断开辟空间是否成功的标准；对于new失败，事实上其并不会返回空指针，而是抛异常。

也就是说，我们可以用判断是否是空指针来截止malloc开辟空间，对于new来说，什么都不用做，一旦开辟失败就会自动终止，并抛出异常，我们可以用以下代码进行演示：

int main()
{
  try
  {
    while (1)
    {
      int* p1 = new int[1024 * 100];
      if (p1)
      {
        cout << p1 << endl;
      }
      else
      {
        cout << "申请失败" << endl;
        break;
      }
    }
  }
  catch (exception& e)
  {
    cout << e.what() << endl;
  }
  return 0;
}

微信图片_20230225162806.png

4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1operator 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。（此处的operator new不是new的重载，与前面的运算符重载不同，实质是一个函数）

我们可以通过画图理解：

微信图片_20230225162835.png

/*
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)

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。

【C++修炼之路】6. 内存管理（一）

C++之内存管理

本节目标

1.C/C++内存分布

2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

3. C++内存管理方式(重要)

3.1new/delete操作内置类型

3.2new和delete操作自定义类型

3.3类型不匹配导致的错误

3.4 new与malloc开辟空间失败的区别

4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1operator new与operator delete函数

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