C++——动态管理

一、C/C++内存分布

在程序从存储角度中主要有以下几种类型的数据

如下区分：
指针变量在栈中

【说明】

1. 栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等。
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. 堆用于程序运行时动态内存分配。
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。

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

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 );
}

1. malloc/calloc/realloc的区别
2. malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理

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。

3.1 new/delete操作内置类型

C/C++内存管理对比

int main()
{
	//C单个变量和数组
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(p2);

	//CPP单个变量和数组
	int* p3 = new int;						  //单个数组初始化
	delete p3;
	
	int* p4 = new int[10];					  //10个int的数组 
	delete[] p4;



	int* p5 = new int(3);					//在p3的基础上多加了初始化，单个数组初始化
	delete p5;

	int* p6 = new int[10]{ 1,2,3,4 };		//在p4基础上多加了初始化
	delete p6;
	
	return 0;
}

例：

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。最好不要C和C++混着使用

3.2 new和delete操作自定义类型

struct ListNode
{
	int val;
	struct ListNode* next;

	//CPP可以在结构体内部定义函数
	ListNode(int x)
		:val(x)
		,next(NULL)	
	{}
};
struct ListNode* BuyNode(int x)
{
	struct ListNode* newnode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	if (newnode == NULL);
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;
	return newnode;
};


int main()
{
	//C，只开空间不能初始化和调用构造函数
	struct ListNode* n1 = BuyNode(1);
	struct ListNode* n2 = BuyNode(2);
	struct ListNode* n3 = BuyNode(3);

	//cpp，开空间+调用构造函数初始化
	ListNode* nn1 = new ListNode(1);		
	ListNode* nn2 = new ListNode(2);
	ListNode* nn3 = new ListNode(3);
}

内置类型：内置类型是几乎是一样的
自定义类型：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

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

4.1 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和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。

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

其作用等价于：

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

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。

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。

也就是new和delete执行时先去调用对应的operator new、operator delete

六、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。

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;
}

注意： 在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。

七、常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

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申请的空间会初始化。
 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。
 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在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理。

7.2内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？
内存泄漏：

内存泄漏是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。

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;
}

7.3 内存泄漏分类？

在C/C++中我们一般关心两种方面的内存泄漏：
1、堆内存泄漏(Heap Leak)

堆内存指的是程序执行中通过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容没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

2、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。

7.4 如何避免内存泄漏？（了解）

1.工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记住匹配的去释放。
 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，该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。

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。