C++初阶(八)--内存管理

目录

引入：

一、C++中的内存布局

1.内存区域

2.示例变量存储位置说明

二、C语言中动态内存管理

三、C++内存管理方式 

1.new/delete操作内置类型

2.new和delete操作自定义类型

四、operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

五、new和delete的实现原理

六、定位 new 和定位 delete

七、面试题

1.malloc/free和new/delete的区别？

 2.内存泄漏

引入：

以下代码分别存储在哪个区域

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";
	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);
}

 图解:

一、C++中的内存布局

在了解具体的内存管理操作之前，先得清楚 C++ 程序的内存布局。一般来说，一个 C++ 程序的内存可以大致分为以下几个区域：

1.内存区域

1. 内核空间：

   • 用户代码不能读写。
   • 操作系统内核运行在此空间，负责管理系统资源和执行关键任务。

2. 代码区（Text Segment）：

   • 存放程序的可执行代码，即机器指令。
   • 通常是只读的，防止程序在运行过程中意外修改自身的代码。

3. 全局 / 静态存储区（Data Segment）：

   • 存储全局变量和静态变量。
   • 全局变量在整个程序的生命周期内都存在，而静态变量（包括局部静态变量）根据其定义的作用域有不同的可见性，但它们的生命周期都是从程序开始到结束。

4. 栈区（Stack）：

   • 用于存储函数调用时的局部变量、函数参数以及返回地址等信息。
   • 遵循后进先出（LIFO）的原则，每当一个函数被调用时，相关的信息就会被压入栈中，函数执行完毕后，这些信息又会被弹出栈。
   • 栈的大小通常是在程序启动时就确定好的，相对有限，如果在栈上分配过多的内存，可能会导致栈溢出的错误。

5. 堆区（Heap）：

   • 是一块相对较大且比较灵活的内存区域，用于动态分配内存。
   • 程序员可以在程序运行期间根据需要随时在堆上申请和释放内存。
   • 与栈不同，堆上的内存分配和释放需要程序员手动进行管理，这也正是内存管理容易出现问题的地方之一。如果忘记释放堆内存，会导致内存泄漏。

6. 常量存储区：

   • 存放常量数据，如字符串常量等。
   • 这些数据在程序运行期间不能被修改。

7. 内存映射段：

   • 可以用于文件映射、动态库加载、匿名映射等。
   • 提供了一种将文件或其他资源映射到进程内存空间的方式，以便更高效地访问这些资源。

2.示例变量存储位置说明

1、globalVar在哪里？

根据上面的代码可知，glovalVar是在main函数外创建的变量，即在全局创建的变量，全局变量存放在数据段(静态区)中。

2、staticGlobalVar在哪里？

staticGlobalVar是在main函数外创建的静态变量，即在全局创建的静态变量，全局静态变量存放在数据段(静态区)中。
3、staticVar在哪里？

staticVar是在main函数内部创建的静态变量，即在局部创建的静态变量，局部静态变量存放在数据段(静态区)中。

4、localVar在哪里？

localVar是在main函数内部创建的变量，即在局部创建的普通变量，局部创建的普通变量存放在栈区。
5、char2在哪里？

char2是在main函数内部创建的数组的数组名，即在局部创建的多个普通变量，局部创建的普通变量存放在栈区。

6、* char2在哪里？

*char2是对数组的的首元素进行解引用，解引用的值存放在哪个区域，*char2的则存放在哪个区域，*char2是数组的第一个字符，即字符变量中的第一个元素，字符变量存放在栈区，因此*char2存放在栈区。
7、pChar3在哪里？

pChar3是在main函数内部创建的const修饰的常指针变量，实质还是一个局部创建的变量，只是该变量的值不能修改，因此pChar3存放在栈区。

8、* pChar3在哪里？

*pChar3是对数组的的首元素进行解引用，解引用的值存放在哪个区域，*pChar3的则存放在哪个区域，*pChar3是常量字符串的第一个字符，字符常量存放在代码段(常量区)，因此*pChar3存放在代码段(常量区)。
9、ptr1在哪里？

ptr1是在main函数内部创建的指针变量，实质还是一个局部创建的变量，因此pChar3存放在栈区。(ptr2、ptr3同理)

10、* ptr1在哪里？

*ptr1是对数组的的首元素进行解引用，解引用的值存放在哪个区域，*ptr1的则存放在哪个区域，*ptr1是通过动态开辟的空间，动态开辟的空间存放在堆区，因此*ptr1存放在堆区。(ptr2、ptr3同理)

顺便提一下：为什么说栈是向下增长的，而堆是向上增长的？ 

简单来说，在一般情况下，在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低。

例如，下面代码中，变量a和变量b存储在栈区，指针c和指针d指向堆区的内存空间：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//栈区开辟空间，先开辟的空间地址高
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	//堆区开辟空间，先开辟的空间地址低
	int* c = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	int* d = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	cout << c << endl;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

因为在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，所以打印出来a的地址大于b的地址；在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低，所以c指向的空间地址小于d指向的空间地址。

注意：在堆区开辟空间，后开辟的空间地址不一定比先开辟的空间地址高。因为在堆区，后开辟的空间也有可能位于前面某一被释放的空间位置。

二、C语言中动态内存管理

1.malloc:

malloc函数的功能是开辟指定字节大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。传参时只需传入需要开辟的字节个数。

2.calloc

calloc函数的功能也是开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。calloc函数传参时需要传入开辟的内存用于存放的元素个数和每个元素的大小。calloc函数开辟好内存后会将空间内容中的每一个字节都初始化为0。

3.realloc 

realloc函数可以调整已经开辟好的动态内存的大小，第一个参数是需要调整大小的动态内存的首地址，第二个参数是动态内存调整后的新大小。realloc函数与上面两个函数一样，如果开辟成功便返回开辟好的内存的首地址，开辟失败则返回NULL。

 4.free

free函数的作用就是将malloc、calloc以及realloc函数申请的动态内存空间释放，其释放空间的大小取决于之前申请的内存空间的大小。

这里只做简单的概述，若还想进一步了解malloc、calloc、realloc和free，请阅读动态内存管理。

三、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。

1.new/delete操作内置类型

// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr4 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
int* p7 = new int[10] {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申请 + 赋值

delete ptr4;//销毁
delete ptr5;
delete[] ptr6;
delete[] p7;

 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。

2.new和delete操作自定义类型

对于以下自定义类型：

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

int main()
{

	// 动态申请单个类的空间
	A* ptr4 = new A;
	// 动态申请一个A类的空间并初始化为10
	A* ptr5 = new A(10);
	// 动态申请10个A类的空间，创建 10 个对象
	A* ptr6 = new A[10];
	//动态申请10个A类的空间并初始化0到9
	A* ptr7 = new A[10]{ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 }; //申请 + 赋值

	delete ptr4;//销毁
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;

}

 给一个malloc版本

int main()
{
	// 动态申请单个类的空间
	A* ptr4 = (A*)malloc(sizeof(A));
	// 动态申请一个 A 类的空间并初始化为 10
	A* ptr5 = (A*)malloc(sizeof(A));
	// 动态申请 10 个 A 类的空间
	A* ptr6 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	// 动态申请 10 个 A 类的空间并初始化 0 到 9
	A* ptr7 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	
	free(ptr4);
	free(ptr5);
	free(ptr6);
	free(ptr7);

	return 0;
}

 可以自己进行调试一下，会发现malloc，free和new,delete的区别。

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和free不会。

总结一下：
 1、C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
 2、如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
 3、建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。

 四、operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

new和delete在底层上就是调用operator new和operator delete的。

operator new和operator delete是 C++ 中用于动态内存分配和释放的操作符函数。它们可以被重载以实现自定义的内存分配策略。默认情况下，operator new会调用底层的操作系统函数来分配内存，而operator delete会释放由operator new分配的内存。

operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一样，其功能都是在堆上申请和释放空间。

	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申请
	
	operator delete(p1); //销毁

//-------------等价-----------------//
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	
	free(p2); //销毁

默认行为:在 C++ 中，当我们使用new关键字来分配内存时，实际上会调用operator new函数。这个函数会尝试从堆中分配足够的内存来满足请求。如果分配成功，它会返回一个指向分配的内存的指针；如果分配失败，它会抛出一个std::bad_alloc异常。

实际上，operator new的底层是通过调用malloc函数来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回；若申请空间失败，则尝试执行空间不足的应对措施，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。而operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的。

注意：虽然说operator new和operator delete是系统提供的全局函数，但是我们也可以针对某个类，重载其专属的operator new和operator delete函数，进而提高效率。 

例如，我们可以实现一个简单的内存池来提高内存分配的效率。

以下是一个简单的示例：

class MyClass
{
public:
    static void* operator new(size_t size)
    {
        cout << "Custom operator new called." << endl;
        return malloc(size);
    }

    static void operator delete(void* ptr)
    {
        cout << "Custom operator delete called." << endl;
        free(ptr);
    }
};

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

在这里，我们重载了MyClass类的operator new和operator delete函数。当我们创建一个MyClass对象时，会调用自定义的operator new函数，该函数使用malloc来分配内存。当我们释放一个MyClass对象时，会调用自定义的operator delete函数，该函数使用free来释放内存。

五、new和delete的实现原理

内置类型
 如果申请的是内置类型的空间，new/delete和malloc/free基本类似，不同的是，new/delete申请释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete [ ]申请释放的是连续的空间，此外，malloc申请失败会返回NULL，而new申请失败会抛异常。

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[ ]函数中实际调用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[ ]函数，在operator delete[ ]函数中实际调用operator delete函数完成N个对象空间的释放。

六、定位 new 和定位 delete

除了普通的operator new和operator delete，C++ 还提供了定位new和定位delete。定位new允许我们在已经分配的内存上构造对象，而定位delete允许我们在已经构造的对象上显式地调用析构函数并释放内存。

定位new（placement new）

定位new允许在已经分配好的内存地址上构造对象，而不是像普通的new操作符那样从堆上动态分配新的内存。它的语法形式是new (place_address) type或者或new(place_address)type(initializer-list)，其中place_address是一个已经分配好的内存地址，type是要构造的对象类型，initializer-list是类型的初始化列表

定位delete（placement delete）

定位delete通常与定位new配合使用，它允许在已经构造的对象上显式地调用析构函数并释放内存。一般情况下，不需要显式调用定位delete，只有在特定的情况下（比如异常处理中需要确保正确的析构函数调用）才可能会用到。

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，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

#include <iostream>
#include <new>

class MyClass
{
public:
    MyClass()
    {
        std::cout << "MyClass constructor called." << std::endl;
    }

    ~MyClass()
    {
        std::cout << "MyClass destructor called." << std::endl;
    }
};

int main()
{
    //此时只是开辟空间，没有创建对象，因为构造函数没有调用
    char* buffer = new char[sizeof(MyClass)];
    MyClass* obj = new (buffer) MyClass();   //new(place_address)type 形式
    obj->~MyClass();
    delete[] buffer;

    return 0;
}

代码讲解:

在这个例子中，首先分配了一块足够大的内存空间（通过char* buffer = new char[sizeof(MyClass)];），然后使用定位new在这个已经分配好的内存地址buffer上构造了一个MyClass对象。这里先显式调用对象的析构函数（obj->~MyClass();），然后释放分配的内存块（delete[] buffer）。注意，这里并没有直接使用定位delete，而是通过先调用析构函数再释放内存块的方式来模拟定位delete的行为。

总的来说，定位new和定位delete提供了一种在特定内存位置上构造和销毁对象的机制，在一些特定的场景下可以提供更灵活的内存管理方式。但使用时需要非常小心，确保内存的正确分配和释放，以避免出现内存泄漏和未定义行为等问题。

七、面试题

1.malloc/free和new/delete的区别？

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;
}