C/C++内存管理

内存管理在C++中无处不在，内存泄漏几乎在每个C++程序中都会发生。因此，要学好C++，内存管理这一关势在必得！

1.C/C++内存分布

我们先来做一做关于下面代码的相关问题

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) = ____;

做题之前，我们先了解一下栈、堆、数据段、代码段等概念

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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）

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。

根据这些概念，大家可以就可以试试上面的几个题目了，答案也公布在下面了。

    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__

    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: 开辟空间，如果成功返回这个空间的起始地址，否则返回空指针

calloc: 开辟空间并完成初始化

realloc: 对动态开辟的空间大小进行调整

free: 释放空间

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 );
}

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和delete操作内置类型

int main()
{
    int* p1 = new int; //动态申请一个int类型的空间
    int* p2 = new int(10);//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* p3 = new int[10];//动态申请10个int类型的空间
    int* p4 = new int[10]{ 1,2,3,4 };//动态申请10个int类型的空间并将前四个初始化

    delete p1;
    delete p2;
    delete[] p3;
    delete[] p4;
    return 0;
}

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。

3.2.new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A(int a = 0)" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    //自定义类型
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    if (p1 == nullptr)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(-1);
    }
    A* p2 = new A;
    free(p1);
    delete p2;

    //内置类型
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
    if (p3 == nullptr)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(-1);
    }
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;
    return 0;
}

**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。 **

4.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。

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

5.常见面试题

5.1.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

5.2.内存泄漏

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。