c++初阶--内存管理

c/c++ 内存分布
c++内存管理方式
- new/delete操作内置类型
- new和delete操作自定义类型
operator new与operator delete函数
new和delete的实现原理
- 内置类型
- 自定义类型
malloc/free和new/delete的区别
内存泄露
- 什么是内存泄漏，内存泄露的危害
- 如何避免内存泄漏

在c语言中我们在想动态申请一块内存空间时，常使用malloc，realloc这类函数向栈申请一块空间，但是我们在学习了c++后发现，像struct，class这些类类型的数据很难用c语言中的malloc函数等控制申请的大小，而且十分麻烦，还得先计算类的大小。那么为了更加方便对这些类型的数据申请空间，c++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。

c/c++ 内存分布

在学习之前，我们再来回顾一下c/c++的内存分布情况，c/c++中程序内存区域划分如图：

说明：
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。
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的。
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。

读者可以通过下面这个练习题测试一下自己对于上面这些概念的理解是否到位：

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);
}

下面是答案：

尤其要注意的是，指针，无论是什么类型的指针，大小都是4/8个字节，它是用来存放地址的，和什么类型无关！

c++内存管理方式

前面我们已经提到过，c++提供了new/delete函数来替代c语言中的malloc/free函数，下面我们来讲解具体是怎么用的。

new/delete操作内置类型

void Test()
{
  // 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];
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

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。

以上这些功能，用c语言的maloc/free函数也能实现，但对于下面我们要讲的自定义类型，malloc/free函数就显得有些无能为力了。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
 A(int a = 0)
 : _a(a)
 {
 cout << "A():" << this << endl;
}
 ~A()
 {
 cout << "~A():" << this << endl;
 }
private:
 int _a;
};
int main()
{
 // 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;
 // 内置类型是几乎是一样的
 int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
 int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
 A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
 A* p6 = new A[10];
 free(p5);
 delete[] p6;
 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。

我们都说，c++是在c语言的基础上建立起来的，同时还兼容c语言，那么我们可以猜一下，new/delete函数底层也是用c语言中的malloc/free函数实现的，下面我们来看一看new和delete在底层会调用的两个函数：

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：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实现知道，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。

下面我们来看new和delete的实现原理

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和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：
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，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

自定义类型

new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造delete的原理
在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理
6. 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
7. 在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理
8. 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
9. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释
放空间

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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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。

内存泄露

什么是内存泄漏，内存泄露的危害

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。

如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。
采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
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的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。