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【C++】C/C++内存管理（new和delete详解）

1. C/C++内存分布

下面先看一段代码，通过这段代码简单分析C/C+的内存分布。

int globalVar = 3;
static int staticGlobalVar = 3;

void Test()
{
    static int staticVar = 7;

    int localVar = 7;
    int num1[10] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    const 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);
}

说明：

  1. 栈又叫做堆栈 -- 存储非静态局部变量/函数参数/返回值等，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内存，叫做进程间通信（这部分在Linux中会讲的比较详细，现在了解一下即可）
  3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的
  4. 数据段 -- 存储全局数据和静态数据
  5. **代码段 ** -- 存储可执行的代码/只读常量

2. C语言中动态内存管理方式

这里稍微复习一下C语言中的动态内存管理方式，主要是通过malloc/calloc/realloc/free这几个函数去实现，他们的具体用法如下：

  1. mallocvoid* malloc(size_t _Size)形参_Size为要申请空间的大小（字节数），若函数执行成功，则返回获得的内存空间的首地址，若函数执行失败，返回NULL。需注意malloc函数分配得到的空间是未初始化的，所以在malloc得到堆内存后一般可配合memset函数来初始化
  2. callocvoid* calloc(size_t _Count, size_t _Size);形参_Count为申请类型的个数，_Size为单个类型的大小，返回值和malloc一样。与malloc的一个显著区别的calloc函数获得的空间是经过初始化的，且初始化为0
  3. reallocvoid* realloc(void* _Block, size_t _Size);形参_Block为堆上已经存在的空间的首地址，_Size为新空间的大小（字节数）。realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数更为丰富，可以实现新内存分配和旧内存释放的功能。其功能为将_Block指向的堆内存块的大小改变为_Size字节，若_Size小于_Block之前指向的空间大小，则原地缩容；若_Size大于_Block之前指向的空间大小，且后面的空间足够时，原地扩容，反之，若后面的空间不够，则异地扩容，重新找一块大小为_Size的空间，将原来的数据拷贝到新空间后，_Block指向该新空间，并释放旧空间。另外，realloc函数分配的空间也是未初始化的
  4. freevoid free(void* _Block);形参_Block是通过上面三个函数获得的堆空间地址，free函数常和上面三个函数配合使用，主要功能就是将_Block指向的堆空间释放

面试题：malloc/calloc/realloc的区别是？

  • 相同点： 1. 都是从堆上申请空间2. 都需要对返回值判空（NULL）3. 都需要用户自己调用free释放4. 返回类型相同（void*）5. 都需要类型转换（对返回值强制转换）6. 底层实现上是一样的，除了要申请的空间外，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间（以防越界）
  • 不同点： 1. 函数名/参数列表不同2. calloc会对申请的空间初始化为0，另外两个不会3. malloc申请的空间常常使用memset初始化4. realloc是对已存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL时，函数功能和malloc一样

3. C++内存管理方式

因为C++兼容C，所以C语言内存管理方式在C++仍可以继续使用，但有些地方却也是无能为力，而且比较麻烦😰。因此C++引入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

先看一段代码，在结合代码进行分析，以int类型为例（其他内置类型操作相同）

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr1 = new int;

    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为33
    int* ptr2 = new int(33);

    // 动态申请77个int类型的空间
    int* ptr3 = new int[77];

    //释放申请的空间
    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
}

说明：申请和释放单个元素的空间，使用new/delete操作符；申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，这两组必须配合使用，否则会出现意想不到的结果！

3.2 new/delete操作自定义类型

在vs2019中运行以下代码：

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        std::cout << "A():" << this << std::endl;
    }

    ~A()
    {
        std::cout << "~A():" << this << std::endl;
    }

private:
    int _a;
};

void Test()
{
    // new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于自定义类型除了开空间还会调用构造函数和析构函数
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1);
    free(p1);
    delete p2;

    std::cout << "--------------" << std::endl;

    A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 3);
    A* p4 = new A[3];
    free(p3);
    delete[] p4;
}

int main()
{
    Test();

    return 0;
}

输出：

A():00796168
~A():00796168
--------------
A():00795014
A():00795018
A():0079501C
~A():0079501C
~A():00795018
~A():00795014

结论：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。所以在申请自定义类型数据的空间时，必须使用new和delete，而对于内置类型，new/delete和malloc/free没什么区别。

4. operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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。

下面我们先看一下operator new和operator delete的底层实现

/*
operator new：该函数实际通过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，尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否
则抛异常。
*/
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)

通过上述两个全局函数的底层实现，我们可以看到operator new实际上是通过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的应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete最终也是通过free来释放空间。

4.2 重载operator new和operator delete（了解）

一般情况下，不需要对operator new和operator delete进行重载，除非在申请和释放空间时有某些特殊的需求，比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单地帮助用户来检测是否有内存泄漏。

// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,    size_t lineNo)
{
    void* p = ::operator new(size);
    cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"
        << size << endl;
    return p;
}
// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName,    size_t lineNo)
{
    cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p <<
        endl;
    ::operator delete(p);
}

//int main()
//{
//    // 对重载的operator new 和 operator delete进行调用
//    int* p = new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__) int;
//    operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
//    return 0;
//}

// 上述调用显然太麻烦了，可以使用宏对调用进行简化
// 只有在Debug方式下，才调用用户重载的 operator new 和 operator delete
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif

int main()
{
    int* p = new int;
    delete(p);
    return 0;
}

上述代码简单看看，了解有重载这个操作即可。

5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

对于内置类型的空间申请，new和malloc，delete和free基本一致，他们的差别在于：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续的空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc则会返回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，完成对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Type的初始化列表，Type是自定义类型

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式调用构造函数进行初始化。

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
    // 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
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

    new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参

    p1->~A();
    free(p1);

    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);

    p2->~A();
    operator delete(p2);
    return 0;
}

这部分内容了解即可，一般很少使用到。

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，而不同之处是：

  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只需要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的返回值是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，不会调用构造函数和析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间之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

什么是内存泄漏：内存泄漏是指因为疏忽或者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。

7.2.2 内存泄漏分类（了解）

C/C++程序中我们一般关心两个方面的内存泄漏：

  • 堆内存泄漏（Heap leak）堆内存指的是程序执行中一句需要分配，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释放。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，比如套接字、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，，该函数只报出大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

因此在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，简单的可以采用上面的方式快速定位。但如果工程比较大，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。对这里感兴趣的可以查看下面一些大佬的文章：

  • 在Linux下内存泄漏检测：Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具
  • 在windows下使用第三方工具检测内存泄漏：VLD(Visual LeakDetector)内存泄露库
  • 其他检测工具：内存泄露检测工具比较

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，申请的内存空间记得匹配的去释放，这个是理想状态。如果没有碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出现问题，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功能选项。
  4. 出问题了使用内存泄漏检测工具，不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结：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。2、事后查错型，如内存泄漏检测工具

本篇博客就先总结到这里了，下一期将介绍C++模板初阶的内容。看到这，如果觉得有所收获，可以点赞收藏一下哦😊。

往期文章推荐：

【C++】快速入门

【C++】类与对象的引入|访问修饰符|this指针

【C++】类与对象（中）——六个默认成员函数|const

【C++】类与对象（下）——初始化列表|static成员|友元|内部类

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标签： c++ 开发语言
本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_62080641/article/details/126813530
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