【C++详解】——内存管理

📖 前言：本章期主要介绍C++的内存管理，以C++的内存分布作为引入，介绍C++不同于C语言的内存管理方式（new delete对比 malloc free)，最后介绍new和delete的底层实现原理。

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🕒 1. C/C++内存分布

代码是存在文件里的

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);
}

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) = ____;
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选择题解析：
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。

填空题答案：
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 );
}
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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)。

【面试题】

malloc的实现原理？
🔎 glibc中malloc的实现原理

🕒 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;
 delete ptr4;
 // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
 int* ptr5 = new int(10);
 delete ptr5;
 // 动态申请10个int类型的空间
 int* ptr6 = new int[10]; 
 delete[] ptr6;
  // 动态申请10个int类型的空间并初始化
 int* ptr7 = new int[10]{1,2,3,4};    // 初始化结果：1，2，3，4，0，0，0，0，0，0 
 delete[] ptr7;
}
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对于内置类型来说，new/delete相比malloc/free除了用法上没有区别。

🕘 3.2 new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;
}
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🕘 3.3 类型不匹配导致的错误

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

int main()
{
	try
	{
		while (1)
		{
			// malloc失败 返回空指针
			// int* p1 = (int*)malloc(1024*100)
			int* p1 = new int[1024 * 100];
			if (p1)
			{
				cout << p1 << endl;
			}
			else
			{
				cout << "申请失败" << endl;	// malloc检查申请失败方式
				break;
			}

		}
	}
	// new失败 抛异常 -- 不需要检查返回值
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	//这里不用关心，看效果即可
	
	return 0;
}
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🕒 4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator 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）

//operator new：该函数实际通过（封装）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，抛异常。
//operator delete 最终是通过free来释放空间的。
...
char* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
char* p1 = (char*)operator new(1024 * 1024 * 1024);
...			// operator new 的使用
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🕒 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。

• 简单来说：就是有一块空间（被强转成一个类，相当于此空间就是一个对象），而现在想对这个对象（即这块空间）进行初始化，但在类外面又无法访问到这个对象的成员变量，我们该如何进行初始化呢？

• 最好的办法就是调用这个对象的构造函数，但构造函数是在对象实例化的时候自动调用的，此时是对这块空间进行强制类型转换，因为空间已经示例化出来了，直接使其变成这个类的对象，是无法调用.

• 那么此时最好的初始化办法就是定位new：从类外面直接调用其构造函数对这个对象（这块空间）进行初始化

池化技术（内存池，进程池）
就是开辟一块大的空间然后以后去内存池申请和释放空间，可以这么理解，内存池离我们进，速度快
我们上面开始提到了，new会去调用operator new，但是这是全局的（库里面的），现在我们去重载一个operator new，就会去调用这个专属的（内存池）
意义就是提高效率

int main()
{
	A* p1 = new A;
	//A* p2 = new A[10];


	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (p3 == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	//定位new -- 对p3指向空间，显示调用构造初始化
	new(p3)A(1);
	p3->~A();
	free(p3);
	//delete p3;	可以
	delete p1;
	return 0;
}
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不难发现，除了定位之外，对于显示调用构造函数来说，也具有和delete一样的功能。

🕒 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（自定义类型）
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

🕤 7.2.1 定义

• 内存泄漏是指指向内存的指针丢失了，而不是指空间丢了
• 因为我们需要通过指针找到开辟的空间进行操作和释放，一旦丢失指针，就相当于找不到这块内存，我们便无法进行释放了
• 在一般进程结束的时候，没有释放的内存也会被系统自动释放掉，所以一般的程序内存泄漏问题危害影响不大
• 但是对于长期运行的程序，比如服务器上运行的程序：出现内存泄漏会导致响应越来越慢，直至卡死，尤其是大厂的服务器要是卡死，那危害就非常大了

🕤 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。

🕤 7.2.3 如何检测内存泄漏（了解）

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{
    int* p = new int[10];
    // 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
    _CrtDumpMemoryLeaks();
    return 0;
}

// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
    Dumping objects ->
        {79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
        Data: <         > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
        Object dump complete.
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此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。

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

🕤 7.2.4 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。

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