C++中的动态内存管理

C++中的动态内存管理

1. 内存分布与虚拟地址空间

每一个加载到内存中的进程，都有一个虚拟地址空间，再经过页表映射到物理内存空间。

2. C语言的动态内存管理

malloc：动态开辟空间，不会初始化。

calloc：动态开辟空间+初始化。

realloc：堆动态开辟的空间进行重新分配。

free：释放动态开辟的空间。

上面这些都是函数调用。

3. C++的动态内存管理

new：动态申请内存

delete：释放内存

批量动态内存管理：new [] ，delete []

int main()
{
  int* a = new int;
  int* b = new int[10]; // new 10个int类型的元素
  int* c = new int(10); // 初始化为10
  delete a;
  delete[] b;
  delete c;
  return 0;
}

new和delete是关键字！！

new在申请自定义类型的空间时，在申请空间后会自动调用其构造函数进行初始化；delete在释放自定义类型的空间时，会先调用它的析构函数，再释放空间。

4. new和delete的实现原理

1. operator new 和 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(关键字)，而operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来动态申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

实际上，operator new 是通过调用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时的应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终也是通过调用free来释放空间的。

operator new 和 operator delete函数对于自定义类型不会调用其构造/析构函数。

2. 重载operator new 和 operator delete函数

一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间的时候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，或者使用内存池分配空间，不需要operator new直接访问堆。

3. new和delete的实现原理

new：先调用 operator new申请空间(operator new又调用malloc )，然后对于自定义类型会调用它的构造函数初始化。

delete：对于自定义类型先调用其析构函数释放资源，然后调用 operator delete函数释放空间(operator delete又调用 free)。

new [N]：先调用 operator new[]申请空间(operator new[]调用operator new )，然后对于自定义类型会调用N次它的构造函数初始化。

delete []：对于自定义类型先调用N次其析构函数释放资源，然后调用 operator delete[]函数释放空间(operator delete[]调用 operator delete)。

5. placement-new

placement-new是指在已分配的动态内存空间中调用构造函数初始化一个对象。 一般是配合内存池使用，因为内存池申请的内存并没有初始化，所以使用placement-new去初始化自定义类型。

使用方式：

class T
{
public:
  T(int a)
    :a_(a)
  {}
  ~T()
  {}
private:
  int a_;
};
int main()
{
  // 正常 new, delete
  T* t = new T(10);
  delete t;
  // 只申请空间，并没有初始化！
  T* t1 = (T*)malloc(sizeof(T));
  assert(t1);
  // 使用 placement-new 初始化 t1
  new(t1)T(20);
  t1->~T();
  free(t1);
  return 0;
}

6. malloc/free 和new/delete的区别(面试题)

1. malloc/new是函数调用，而new/delete是关键字。
2. new申请空间可以进行初始化。(不过calloc也可以)
3. malloc要传参指定需要的空间大小，而new只需要给类型就可以。
4. malloc的返回值是 void*，要进行强转，而new不需要，直接返回对应类型的指针。
5. malloc申请空间失败返回NULL，而**new失败抛异常**。
6. 对于自定义类型的区别！！

异常捕获：

int main()
{
  try
  {
    // 10G
    int* p = new int[1024*1024*1024*10];
    // ...
  }
  catch(const exception& e)  //  捕获异常信息
  {
    cout << e.what() << endl;  // 打印异常信息
  }
  return 0;
}

7. 内存泄漏

一般有两类内存泄漏：

1. 动态申请的内存空间没有释放，指向这块内存的指针丢了。
2. 申请的系统资源没有释放！如文件描述符fd，网络套接字socketfd等。

避免内存泄漏：

1. 良好的代码规范。
   
2. 使用RAII来管理资源。(智能指针)
   
3. 使用内存泄漏检测工具。
   
4. 动态申请的内存空间没有释放，指向这块内存的指针丢了。
   
5. 申请的系统资源没有释放！如文件描述符fd，网络套接字socketfd等。
   

避免内存泄漏：

1. 良好的代码规范。
2. 使用RAII来管理资源。(智能指针)
3. 使用内存泄漏检测工具。

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