[C++知识库]＜C/C++内存管理＞——《C++初阶》

目录

1. C/C++内存分布

1. 选择题：

2. 填空题：

2. C语言中动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和free

3. C++内存管理方式?

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

4. operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

4.2 operator new与operator delete的类专属重载（了解）

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

?7.3 如何一次在堆上申请4G的内存？

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?——By 作者：新晓·故知

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

1. 选择题：

选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段

globalVar在哪里？_C___ staticGlobalVar在哪里？__C__

staticVar在哪里？__C__ localVar在哪里？__A__

（在函数里面，局部变量，函数开辟栈帧）

num1 在哪里？__A__

char2在哪里？_A___ *char2在哪里？__A_

（ (“abcd”是常量字符串，是常量，在代码段)，但char是数组，数组在栈，其中的内容也在栈，将常量字符串拷贝给char初始化，*char指向的内容是拷贝过来的字符串，数组在栈，其中的内容也是在栈）

pChar3在哪里？_A___ *pChar3在哪里？_D___

(“abcd”是常量字符串，是常量，在代码段，)，但pChar3是局部指针变量，在栈，但pChar3存的是常量字符串的地址，*pChar3 是指向的内容，即常量字符串“abcd”，所以*pChar?在代码段，（注意这个指针的权限问题，const）

ptr1在哪里？_A___ *ptr1在哪里？__B__

?（ptr1是函数里面的局部指针变量，*ptr1是指向的内容，在堆上。）

?

//查看地址，分析存在区域
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;

int main()
{

	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	const int a = 10;
	cout << &globalVar << endl;
	cout << &staticGlobalVar << endl;
	cout << &staticVar << endl << endl;

	cout << &localVar << endl;
	cout << &a << endl;

	//char* p = "hello";          //C++会报错，“hello”是const char*类型(const char{6])"hello",而p是char* 类型
	const char* p = "hello";  //p存的是常量字符串的地址
	cout << p << endl << endl;//无法这样打印p的地址，C++自动识别类型，是char*，
	                          //会打印字符串hello
	cout << (void*)p << endl; //需要强转类型或者使用C语言风格打印
	cout << *p << endl;
	cout << &p << endl;
	cout << &("hello") << endl;


	const int n = 10;
	const int* b = &n;

	cout << b << endl;        //打印的是n的地址
	cout << &n << endl;       //打印的是n的地址
	cout << (void*)b << endl; //打印的是n的地址
	cout << *b << endl;
	cout << &b << endl;

	return 0;
}

2. 填空题：

sizeof(num1) = __40____;? ?

sizeof(char2) = __5____;? ? strlen(char2) = _4___;

（用常量字符串初始化数组char2，隐含一个“\0”）

sizeof(pChar3) = __4/8__;? ??strlen(pChar3) = _4___;

（PChar3是指针变量，分为32位/64位机器）

sizeof(ptr1) = _4/8___;

【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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）

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。

?

?

2. C语言中动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和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);
}

【面试题】

malloc/calloc/realloc的区别？（复习C语言）

3. C++内存管理方式?

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

3.1 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10
 int* ptr5 = new int(10);
 
 // 动态申请10个int类型的空间
 int* ptr6 = new int[10];
 
 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[ ]

//通过new和delete操作符进行动态内存管理

int main()
{
	int* p1 = new int;     //动态创建一个int型对象
	int* p2 = new int[10]; //动态创建10个int型对象，new[]数组
	int* p3 = new int(10); //动态创建一个int型对象，并初始化为10
	//int* p4 = new int[10](10);  //不能这么使用！
	int* p5 = new int[10]{ 10 }; //C++11支持，这初始化的是第一个，其他默认为0

	return 0;
}

?

int main()
{
	int* p1 = new int;     //动态创建一个int型对象
	int* p2 = new int[10]; //动态创建10个int型对象，new[]数组
	int* p3 = new int(10); //动态创建一个int型对象，并初始化为10
	//int* p4 = new int[10](10);  //不能这么使用！
	int* p5 = new int[10]{ 10 }; //C++11支持，这初始化的是第一个，其他默认为0

	delete p1;      //要按照new创建的形式，对于delete的形式
	delete[] p2;
	delete p3;

	delete[] p5;
	return 0;
}

3.2 new和delete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;
};
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(sizoef(Test) * 10);
	free(p2);
}
void Test2()
{
 // 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。

//对于内置类型而言，使用malloc和new，只是用法形式不同，
//区别在于自定义类型，malloc只开辟空间，new开辟空间+初始化

#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
C语言中，malloc只开空间，不初始化
//struct ListNode
//{
//	ListNode* _next;
//	int _val;
//};
//struct ListNode* BuyListNode(int x)
//{
//	struct ListNode* node = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
//	assert(node);
//	node->_next = NULL;
//	node->_val = x;
//	return node;
//}
//int main()
//{
//	ListNode* n1 = BuyListNode(1); //C语言中，malloc只开空间，不初始化
//	return 0;
//}

//C++中，new开辟空间+调用构造函数初始化
struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;
	//C++中，new会调用构造函数初始化
	ListNode(int val=0)
		: _next(nullptr)
		, _val(val)
	{}
};
//在c语言中，因为malloc只开辟空间，不初始化
//写BuyListNode()是为了开辟空间+初始化
struct ListNode* BuyListNode(int x)
{
	struct ListNode* node = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	assert(node);
	node->_next = NULL;
	node->_val = x;
	return node;
}
int main()
{
	ListNode* n1 = BuyListNode(1); //C语言中，malloc只开空间，不初始化，
									 //自定义函数BuyListNode()是为了开辟空间+初始化
	//ListNode* n1=(struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode)); //C语言，malloc只开辟空间
	assert(n1);

	ListNode* p1 = new ListNode;   //C++中，new开辟空间+调用构造函数初始化
	ListNode* p2 = new ListNode(10);   
	ListNode* p3 = new ListNode(20);
	ListNode* p4 = new ListNode(30);

	return 0; 
}

?

?

#include<cassert>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 10)
		:_a(new int[capacity])
		,_capacity(capacity)
		,_top(0)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	//Stack st;
	//C语言中，malloc只开辟空间，不初始化
	Stack* c1 = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
	assert(c1);
	//c1->Stack(); error  //构造函数不能显式调用，这种方式在这里无法初始化了，无法访问私有成员。
	           
	//C++中，new开辟空间+初始化
	Stack* ps1 = new Stack;

	free(c1);
	delete ps1;
	return 0;
}

??

//C++用栈实队列,部分框架讲解new和delete
#include<cassert>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 10)
		:_a(new int[capacity])
		, _capacity(capacity)
		, _top(0)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 10)" << endl;
	}
	~Stack()
	{	
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
		cout << "~Stack()" << endl;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
//队列类，没写构造函数、没写析构函数
//调用默认构造函数和默认析构函数
class MyQueue
{
private:
	//自定义类型
	Stack _pushST;
	Stack _popST;
};
int main()
{
	MyQueue* obj = new MyQueue;
	delete obj;
	return 0;
}

?注：

new创建MyQueue对象开辟空间，再去调用MyQueue的构造函数进行初始化，MyQueue没有显式实现构造函数，就会去调用默认构造函数，而MyQueue的默认构造函数对MyQueue的内置类型成员不作处理，对自定义类型成员会去调用它们的构造函数，（即会去调用自定义类型成员Stack _pushST、Stack _popSTde 构造函数）而Stack是必须显式实现构造函数（涉及浅拷贝多次析构同一空间问题），然后间接调用完成后，new创建成功，并完成初始化。

delete会先去调用MyQueue对象的析构函数，管理清理资源空间，这里MyQueue的析构函数也没有显式实现，因此会去调用MyQueue的默认析构函数，而MyQueue的默认析构函数，对于MyQueue的内置类型成员不作处理，对MyQueue的自定义类型成员会去调用它们的析构函数（即会去调用自定义类型成员Stack _pushST、Stack _popSTde 析构函数），然后间接调用完成后，再释放new开辟的空间！

在C语言中，malloc创建后需要assert，因为malloc失败，会返回空指针

而在C++ 中，new失败就会抛异常。?

int main()
{
	//先消耗内存
	void* p0 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p0 << endl;

	//在C语言中，malloc创建后需要assert，因为malloc失败，会返回空指针
	void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p1 << endl;

	//在C++ 中，new失败就会抛异常。?
	void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];  //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p2 << endl;
	return 0;
}

using namespace std;
int main()
{
	//先消耗内存
	void* p0 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p0 <<endl<< endl;

	//在C语言中，malloc创建后需要assert，因为malloc失败，会返回空指针
	void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p1 << endl << endl;

	//在C++ 中，new失败就会抛异常。?
	try
	{
		void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];  //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
		cout << p2 <<endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() <<endl<< endl;
	}
	return 0;
}

#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<cassert>
using namespace std;

//C++用栈实队列,部分框架讲解new和delete
#include<cassert>
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 10)
		:_a(new int[capacity])
		, _capacity(capacity)
		, _top(0)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 10)" << endl;
	}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_capacity = 0;
		_top = 0;
		cout << "~Stack()" << endl;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
//异常一般在main外部捕获
void func()
{
	Stack* c1 = (Stack*)malloc(sizeof(Stack)); //C语言malloc
    assert(c1);
	
    Stack* ps1 = new Stack;                    //C++new

	free(c1);
	delete ps1;
	//先消耗内存
	void* p0 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	if (p0 == NULL)
	{
		cout << p0 << endl << endl;
	}
	
	//在C语言中，malloc创建后需要assert，因为malloc失败，会返回空指针
	void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024);   //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	if (p1 == NULL)
	{
		cout << p1 << endl << endl;
	}
	
	//在C++ 中，new失败就会抛异常。?
	void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];  //模拟开设1G的内存  即十亿个字节
	cout << p2 << endl;
}
int main()
{
	//在C++ 中，new失败就会抛异常。?
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl << endl;
	}
	return 0;
}

4. operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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。

4.2 operator new与operator delete的类专属重载（了解）

下面代码演示了，针对链表的节点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，提高效率?

?

?

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;
}

7. 常见面试题

7.1 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

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

用法区别、底层区别

7.2 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。

??

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;
 }

7.2.2 内存泄漏分类（了解）?

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(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。

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。

面试题：

内存泄漏是指针丢了，还是内存丢了？是指针

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：VLD工具说明

其他工具：内存泄漏工具比较

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

?7.3 如何一次在堆上申请4G的内存？

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

后记：
●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?——By 作者：新晓·故知