【C++】内存管理

目录

1.C/C++内存分布

2.C语言中动态内存管理方式

3.C++中动态内存管理

3.1new/delete操作内置类型

3.2new/delete操作自定义类型

总结：malloc/free和new/delete的比较

4.operator new 和 operator delete 函数

5.new和delete的实现原理

5.1内置类型

5.2自定义类型

6.定位new表达式（placement-new）

7.内存泄漏

1.C/C++内存分布

下图为C/C++中程序内存区域的划分

int globalvar1 = 1;
static int globalvar2 = 10;
void test()
{
	static int localvar1 = 1;
	int localvar2 = 1;

	int num[10] = { 1,2,3,4 };
	char char[] = "abcd";
	const char* pchar = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);

	//释放动态开辟的空间
	free(ptr1);
	free(ptr3);

}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

对于如上代码，解决以下问题：

globalvar1存放在哪里？

globalvar1是一个全局变量，应该存放在数据段（静态区）

globalvar2存放在哪里？

globalvar2是一个由static修饰的静态全局变量，应该存放在数据段（静态区）

localvar1存放在哪里？

localvar1是一个由static修饰的静态局部变量，应该存放在数据段（静态区）

localvar2存放在哪里？

localvar1是一个局部变量，应该存放在栈区

num存放在哪里？

num是一个局部的数组，应该存放在栈区

char存放在哪里？

char是一个局部的字符串数组，应该存放在栈区

*char存放在哪里？

此时数组名char代表首元素地址，*char就是数组的首元素，应该存放在栈区

pchar存放在哪里？

pchar指向代码段（常量区）的一个常量字符串，但是pchar作为一个指针应该存放在栈区

*pchar就是代码段（常量区）的字符串"abcd"，这个字符串存放在代码段（常量区）

ptr1存放在哪里？

ptr1指向由malloc在堆区动态开辟的一块空间，但是ptr1作为一个指针应该存放在栈区

*ptr1存放在哪里？

*ptr1就是由malloc在堆区动态开辟的这块空间，所以*ptr1存放在堆区

sizeof(num) = ?

数组名代表数组首元素的地址，在sizeof和&时代表整个数组

此时的num代表整个数组，sizeof(num) = sizeof(int)*10 = 40 

sizeof(char) = ?

此时的char代表整个数组，sizeof(char) = 5（字符串以'\0'结尾） 

strlen(char) = ?

strlen(char) = 4 字符串的长度不包括'\0'

sizeof(pchar) = ?

pchar是一个指针，sizeof(pchar) = 4/8

strlen(pchar) = ?

pchar指向代码段（常量区）的一个常量字符串，strlen会计算这个常量字符串的长度

strlen(pchar) = 4

sizeof(ptr1) = ?

ptr1是一个指针，sizeof(ptr1) = 4/8

2.C语言中动态内存管理方式

参考往期文章

写文章-CSDN创作中心

3.C++中动态内存管理

C语言中内存管理方式可以在C++中继续使用，同时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

3.1new/delete操作内置类型

对于内置类型，new/delete与malloc/free除了用法不同，没有其他区别 

📖Note：

• 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[ ]

使用时要匹配使用，否则编译器会报警告

3.2new/delete操作自定义类型

📖Note：

• 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和free不会

总结：malloc/free和new/delete的比较

共同点：

• 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放

不同点：

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，需要手动计算空间的大小并传递，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的返回值为void*，在使用时必须进行强制类型转换，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，因此使用时需要判空，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会在释放空间前调用析构函数完成空间中资源的清理

4.operator new 和 operator delete 函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放额操作符，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在底层调用operator delete全局函数来释放空间

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，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常

operator delete：该函数最终通过free来释放空间

因为new是对malloc函数的封装，所以使用new开辟的空间可以直接使用free函数释放，不会存在内存泄漏问题。但是仍建议malloc/free，new/delete匹配书写

📖Note：

 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需求。如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以帮助用户检测是否存在内存泄漏

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和malloc，delete和free基本类似

区别：

• 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
• new在申请空间失败时抛异常，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函数为N个对象申请空间
2. 在申请的空间上执行N次构造函数，完成对象的构造

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）

定位new表达式：在已分配的原始内存空间中显式调用构造函数初始化一个对象

使用格式：

new(place_adress)type或者new(place_adress)type(initializer-list)

place_adress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式调用构造函数进行初始化

7.内存泄漏

内存泄漏：指的是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，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死

内存泄漏的分类：

1️⃣堆内存泄漏

堆内存指的是程序执行中依据需要通过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/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，就会产生堆内存泄漏

2️⃣系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，如文件描述符，管道等没有使用对应的函数释放，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

如何避免内存泄漏：

1. 事前预防型：智能指针等
2. 事后查错型：泄漏检测工具