• C++内存管理

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    1.C/C++内存分布

    我们先来看下面的一段代码和相关问题

    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);
}

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    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？C staticGlobalVar在哪里？C
      staticVar在哪里？C localVar在哪里？A
      num1 在哪里？A
      char2在哪里？A *char2在哪里？A
      pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
      ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B
    2. 填空题：
      sizeof(num1) = 40;
      sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;
      sizeof(pChar3) = 4/8; strlen(pChar3) = 4;
      sizeof(ptr1) = 4/8;
    3. sizeof 和 strlen 区别？
    1. sizeof是关键字,strlen是函数
    2. sizeof的参数可以是数组,指针,类型,对象,函数等.strlen的参数只能是字符指针,且必须以’\0’结尾
    3. 数组名做sizeof的参数不退化,做strlen的参数会退化为指针
    4. 编译器在编译时就计算出了sizeof的结果，而strlen函数必须在运行时才能计算出来.并且sizeof计算的是数据类型占内存的大小，而strlen计算的是字符串实际的长度.

    在这里插入图片描述

    【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。

    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 );
}

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    面试题:

    1. malloc/calloc/realloc的区别？
      malloc和calloc都是向堆中申请空间,但是malloc不会对申请的空间初始化,得使用memset,而calloc会初始化为0,realloc是扩容,会在原来的大小基础上扩容(重新分配内存空间),然后原内容拷贝过去,所以realloc后地址空间会发生改变.

    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,不会初始化
	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];

	//C++11支持new[]的时候对数组初始化
	//int* prt6 = new int[10]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

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    • 对于内置类型来说new/delete和malloc/free没有什么本质区别,如果非说有区别的话,就是通过不同的方式来检查返回值从而判断是否开辟成功
    • 对于自定义类型new/delete的优势很明显,使用new创建自定义对象不仅在堆上创建空间,而且可以调用构造函数,使用delete释放内存会先调用析构函数然后释放空间

    总结:new/delete是为自定义类型量身定做的!

    class A
{
public:
	A(int a = 1)
	{
		_a = a;
	}
	void Print()
	{
		cout << _a << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* a = new A[5]{ {1},{2},{3},{4},{5} };
	a[2].Print();
	delete[] a;
	return 0;
}

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    注意:

    new/delete和new[]/delete[]要对应使用,不然可能出问题(内置类型一般不错,自定义的会报错,等说底层在说)!

    4. operator new与operator delete函数（重要）

    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)

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    从operator new 的源码得出operator new其实就是对malloc进行了一个封装,添加了异常处理的机制
    operator delete通过封装_free_dbg来释放空间的,注意到free的实现就是宏函数调用了_free_dbg函数

    所以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 重载operator new与operator delete(了解)

    我用一个List写一个简单的内存泄漏来演示一下:

    struct ListNode
{
	int _val;
	ListNode* _next;

	// 内存池
	static allocator<ListNode> alloc;

	void* operator new(size_t n)
	{
		cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;
		void* obj = alloc.allocate(1);
		return obj;
	}

	void operator delete(void* ptr)
	{
		cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;

		alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
	}

	struct ListNode(int val)
		:_val(val)
		, _next(nullptr)
	{}
};


allocator<ListNode> ListNode::alloc;

int main()
{
	ListNode* node1 = new ListNode(1);
	delete node1;
	return 0;
}

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    这里用到了一个内存池技术,因为我们每次开辟结点,都得向内存申请空间,效率低而且还会产生内存碎片.用了内存池后就是直接申请一块内存来存储变量.就和你买东西,每次都要和你妈妈要钱,内存池就是你和你妈要了和多钱,下次买东西就用自己身上的钱就行

    5. new和delete的实现原理

    5.1 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。

    5.2 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

    6. 定位new表达式(placement-new) （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。

    class A
{
public:
	A(int a = 0)
	: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与A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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

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    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，如果是多个对象，[]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

    7.2 内存泄漏

    待智能指针的时候详细介绍!

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