C/C++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和这些代码的分布区域：

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(非静态局部变量/函数参数/返回值等等分配的内存地址)。
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(分配的内存地址)。
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++内存管理方式

C语言内存管理方式(malloc/calloc/realloc和free)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。

2.1 new/delete操作内置类型

那么，可能有的同学会这样去写：

这样写是不支持的。但在C++11中，我们支持了这样写：

后面的初始化的方式和数组相似。

当我们要释放时，我们建议一定要匹配，不匹配，可能会报错，可能不会报错。
规定：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[]

2.2 new和delete操作自定义类型

首先，我们来看一下，用new和malloc分别开辟一个栈：

它们之间有什么区别呢？我们来看一下：

它的内部图是这样的：

从这里，我们可以看到new和malloc的区别：
new不仅开辟了空间，还调用构造函数初始化了。
那么free和delete的区别：
像free只会释放ps1空间，而_pa的空间不会释放。但是delete都会释放。
delete不仅释放空间了，还调用析构函数清理资源了。

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。

我们还要注意它们的第二个区别：
malloc失败，返回空指针。 new失败，抛异常。
异常，我们以后再说。

3. 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。
我们来看一下，底层的函数是如何实现的：
operator new：

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);
}
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operator delete：

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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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。

那么operator new 会不会调用构造函数呢？operator delete 会不会调用析构函数呢？我们看下面的代码：

我们可以看到并没有调用构造函数和析构函数。像我们上面这样写的：

它调用了两个：

call operator new
call Stack构造函数
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下面说一点拓展知识：

我们在这里，插入n次数据，也向堆申请了n次空间。然后，我们Clear一下，又插入n次数据，又向堆申请了n次空间。这里在我们在网上买东西的时候类似，如果我们想买的就加入购物车，如果不想要了就清空，然后再加入新的物品。
但是，这里我们时不时的在堆里开辟空间，效率低下。我们该怎么办呢？
在这里，我们利用一个内存池来申请和释放内存，提高效率。
我们可以想象堆是我们妈妈的钱包，内存池是我们自己的钱包。用妈妈的钱，我们要去请求，但我们自己的钱不需要，直接就可以使用。
我们就可以这样去写：

这样，我们自己写的operator new和operator delete。
这样，当我们调用new和delete时，编译器就不会去调用全局里的operator new和operator delete。而是调用我们自己写的operator new和operator delete。

4. new和delete的实现原理

4.1 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。

4.2 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
3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
4. 调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理
5. 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
6. 在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理
8. 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
9. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

5. 定位new表达式(placement-new)

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。

在这里，我们只调用了operator new，所以，我们看到栈没有初始化。那么，我们就需要自己显示的去调用构造函数来初始化。
但是，我们不能直接这样去调用构造函数，它是不支持的：

我们就需要定位new了：

6. 常见面试题

6.1 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

6.2 内存泄漏

6.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

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。

6.2.2 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
1.堆内存泄漏
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。

2.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。

6.2.3 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。

6.3 如何一次在堆上申请4G的内存