【C++初阶】第五站:C/C++内存管理 (匹配使用，干货到位)

1. malloc:

   • 功能：动态分配指定字节数的内存。
   • 特点：不会初始化分配的内存，内容随机。
   • 语法：void* malloc(size_t size);
   • 示例：int *p = (int*)malloc(sizeof(int)*n); 分配n个整数大小的连续内存空间。

2. calloc:

   • 功能：动态分配指定数量、特定类型的内存空间，并初始化为0。
   • 特点：不仅分配内存，还会清零初始化。
   • 语法：void* calloc(size_t num, size_t size);
   • 示例：int *p = (int*)calloc(n, sizeof(int)); 分配并初始化n个整数大小的连续内存空间为0。

3. realloc:

   • 功能：调整已分配内存块的大小，可以扩大或缩小。
   • 特点：如果扩大内存，新增空间内容不确定；如果缩小内存，多余部分会被释放，缩小后的内存区域保持不变。
   • 语法：void* realloc(void* ptr, size_t new_size);
   • 示例：int *new_p = (int*)realloc(p, sizeof(int)*m); 尝试更改指针p指向的内存区域大小为m个整数所需空间，返回新的内存地址，有可能与原地址相同也可能不同。

总的来说：

• malloc 用于单纯分配未初始化的内存。
• calloc 用于分配并初始化为零的内存。
• realloc 用于调整已分配内存区域的大小，提供了一种灵活的内存管理手段。

更多详细内容请移步到 --> 【C进阶】-- 动态内存管理

C++内存管理方式

int main()
{
     int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
     int* p4 = new int;//这个地方还是随机值(内置类型不会调构造)
     free(p3);
     delete p4;
}

include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//不会初始化的例子
 
	    int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	//自动计算大小,不需要强转，动态申请一个int类型的空间
	    int* p3 = new int;
	//动态分配一块足够存储 10 个整数的连续内存空间
	    int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	    int* p5 = new int[10];
	
	//malloc的释放方式
	    //free(p2);
	    //free(p4);
	//new的释放方式
	    //delete p3;
	    //delete[] p5;
 
	//会初始化的例子
	
	//额外支持空间 + 初始化
	//动态申请一个int类型的空间
	    int* p6 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间,并初始化前三个
	    int* p7 = new int[10]{ 1,2,3 };
	// 动态申请10个int类型的空间
	    int* p8 = new int[10]{};
 
	return 0;
}

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)

    底层源码分析：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。

new和delete的实现原理

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。

永远记住一个点： 匹配使用！匹配使用！匹配使用！ ( 没有写析构函数是不会报错的，但用free的话可能会导致内存泄露，因为没调析构)

干货在这（了解即可）：

     由于编译器的原因,以下的两张图，左边写了析构的，会在申请的空间前面多申请4byte ，然后这4个字节用来存 10(因为new的时候是10个int数据）,注意：这里的存的 10是个数，不是字节

        如果用delete[ ]，它就会自动偏移到新开的4byte的空间和后面原本的空间是合并在一起的，所以释放的时候一把释放是没问题，并且是释放了10次(释放不能分期，不能分段)

        但是如果你用delete 和free 的话，那编译器就不会偏移了，因为new 或者 malloc 的时候就是那么多，所以你释放的时候就那么多。因此，如果写了析构,这个时候用 delete 或者 free 只会把4byte后面的空间给释放掉，编译器会报错

        所以 右边的那副图，没写析构，但没报错的原因是因为 指针的位置没有指向错误。

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。

内存池的浅显理解：

        在C++中， 构造函数 是不能通过指针或者对象实例名直接调用的，只能在创建对象时自动调用。如果这些内存不是从堆里面获取的， 是从内存池里面获取的，那就需要显示调用构造和析构，

include<iostream>
using namespace std;
内存池
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与Stack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
	Stack* pst1 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
	//pst1->Stack(4);//不支持
	new(pst1)Stack(4);//显示调用构造函数
                      //注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
 
	pst1->~Stack();//可以显示调用析构
	operator delete(pst1);//显示调用析构函数
	return 0;
}

常见面试题

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 ：

• malloc和free是函数，new和delete是操作符
• malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

内存泄漏

                                                        内存泄漏概念与危害

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。

内存泄露的危害

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，出现勺存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

代码如下：

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;
}

                                                 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。

                                                 

                                                如何检测内存泄漏（了解）

• 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：内存泄露检测工具比较

                                                

                                                 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RAI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。