• C/C++内存管理


    1. C/C++内存分布

    先看看这段代码,其中的变量都存储在哪里呢

    1. int globalVar = 1;
    2. static int staticGlobalVar = 1;
    3. void Test()
    4. {
    5. static int staticVar = 1;
    6. int localVar = 1;
    7. int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
    8. char char2[] = "abcd";
    9. const char* pChar3 = "abcd";
    10. int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
    11. int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
    12. int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
    13. free(ptr1);
    14. free(ptr3);
    15. }

     我们都知道static修饰的变量和全局变量在静态区(数据段),常量字符串存储在常量区。动态内存开辟的空间在堆上,其他的大部分都在栈上,下面看看这题的答案

     让我们看看C/C++程序中内存的划分:

     总结:

    1. 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. 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

    C语言中的动态内存管理方式在C语言中已经详细的介绍,这里以例子来回顾

     最后这里再谈谈动态内存开辟三种方式的区别

    1. malloc/calloc/realloc的区别?

    malloc是开辟空间,但是没有初始化,而calloc完成了初始化,realloc就是在原来开辟的空间的基础上,再扩大空间。

    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
    C++ 又提出了自己的内存管理方式: 通过 new delete 操作符进行动态内存管理

    3.1 new/delete操作内置类型

    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[],注意:匹配起来使用。(如果不匹配使用很可能出问题)

    3.2 new和delete操作自定义类型

    刚刚看到new和delete对于内置类型,其实它的效果和C语言中的malloc和free是差不多的,C++设计new和delete的用意就是在自定义类型:

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 1)
    5. {
    6. cout << "A()" << endl;
    7. }
    8. ~A()
    9. {
    10. cout << "~A()" << endl;
    11. }
    12. private:
    13. int _a;
    14. };
    15. void Test()
    16. {
    17. A* p1 = (A*)malloc(10 * sizeof(A));
    18. A* p2 = new A[10];
    19. free(p1);
    20. delete[]p2;
    21. }
    22. int main()
    23. {
    24. Test();
    25. return 0;
    26. }

    看看结果:

     我们会发现new和delete对自定义类型,会自动调用构造和析构函数,这样就比较方便了。

    4. operator new与operator delete函数(重点)

    4.1 operator new与operator delete函数(重点)

    new delete 是用户进行 动态内存申请和释放的操作符 operator new operator delete
    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。
    其中operator new的底层居然部分也是malloc,看看下面这段库里的实现:
    1. void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
    2. {
    3. // try to allocate size bytes
    4. void* p;
    5. while ((p = malloc(size)) == 0)
    6. if (_callnewh(size) == 0)
    7. {
    8. // report no memory
    9. // 如果申请内存失败了,这里会抛出bad_alloc 类型异常
    10. static const std::bad_alloc nomem;
    11. _RAISE(nomem);
    12. }
    13. return (p);
    14. }

    不难发现C++的处理方式和C语言不同在与对异常的处理,C语言如果申请空间错误,是会返回空指针,而C++就会抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

    1. void operator delete(void* pUserData)
    2. {
    3. _CrtMemBlockHeader* pHead;
    4. RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
    5. if (pUserData == NULL)
    6. return;
    7. _mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */
    8. __TRY
    9.         /* get a pointer to memory block header */
    10. pHead = pHdr(pUserData);
    11.          /* verify block type */
    12. _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
    13. _free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
    14. __FINALLY
    15. _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
    16. __END_TRY_FINALLY
    17. return;
    18. }
    19. #define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

    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 malloc delete 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[] 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。
    下面是使用的方法:
    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 0)
    5. : _a(a)
    6. {
    7. cout << "A():" << this << endl;
    8. }
    9. ~A()
    10. {
    11. cout << "~A():" << this << endl;
    12. }
    13. private:
    14. int _a;
    15. };
    16. int main()
    17. {
    18. // 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
    19. A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    20. if (p1 == nullptr)
    21. {
    22. perror("malloc fail");
    23. exit(-1);
    24. }
    25. new(p1)A(1);//构造函数
    26. p1->~A();//调用析构函数
    27. free(p1);
    28. //这里使用delete也是一样的,因为delete就是完成析构的同时释放空间
    29. //delete(p1);
    30. return 0;
    31. }

    我们看看结果:

    下面是delete的结果:

     

    但是我们可能会想问为什么要这么麻烦,直接使用new和delete不是很方便吗?

    这里就要提到计算机的池化技术,这是为了提高效率,如果我们随意的使用计算机内存,那么空间利用就会很零散,利用定位new就可以提前开辟好空间,这样可以方便管理,提高计算机的效率。 

    7. 常见面试题

    7.1 malloc/free和new/delete的区别

    malloc/free 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(主要针对自定义类型)
    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 什么是内存泄漏,内存泄漏的危害

    内存泄露是指针丢了导致的,实际物理内存并没有消失。
    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。
    所以我们在申请空间的时候一定要记得释放,因为以后到我们工作的时候机器可能一直都是在工作的,所以操作系统不会走出main函数,操作系统自然也不会回收。

    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)

    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。
    因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。

    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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