C/C++内存管理

一、C/C++内存分布

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

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

1 malloc/free，operator new/operator delete 和 new/delete 的关系

五、常见面试题：malloc/free和new/delete的区别

一、C/C++内存分布

栈又叫堆栈，它被用来存储非静态局部变量、函数参数、返回值等等，栈是向下增长的。
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，做进程间通信。
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段（C语言叫静态区）被用来存储全局数据和静态数据，内部分为初始化段和未初始化段。
代码段（C语言叫常量区）被用来存储可执行的代码和只读常量。

int globalVar = 1;//全局变量-->数据段
static int staticGlobalVar = 1;//全局静态变量-->数据段
void Test()
{
	static int staticVar = 1;//局部静态变量-->数据段
	int localVar = 1;//局部变量-->栈
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//num1为局部数组-->栈
	char char2[] = "abcd";//char2为局部数组-->栈，*char2为该数组的首元素，由于是局部的-->栈。（char2为首元素地址，*char2解引用为首元素）
	const char* pChar3 = "abcd";//pChar3为指针变量，仍为局部变量-->栈，pChar3因为是一个地址，并且存放的是常量字符串abcd的地址-->代码段(常量区)
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1为局部指针变量-->栈，*ptr1为指向的内容-->堆
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}
//sizeof(char2) = 5,strlen(char2) = 4

全局变量、全局静态变量、局部静态变量是在整个程序运行期间都存在的，不会因为main函数结束而结束（生命周期是全局的）。其中，全局变量与全局静态变量是在main函数之前就初始化的，而局部静态变量是在运行到该处才初始化的。并且，全局变量与全局静态变量的作用域是全局的，在哪里都能用，而局部静态变量的作用域是在该函数的（如：Test()），只能在该函数内使用。

全局变量与全局静态变量的区别：

它们之间的链接属性是不一样的：全局变量在所有文件中都是可见的，而全局静态变量只在当前文件可见。

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

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

calloc函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
所以，如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

有时我们会发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的申请内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

其中，memblock 是要调整的内存地址，size 为调整之后的新大小，返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数在调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间
情况2：原有空间之后没有足够大的空间

当是情况1 的时候，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。

free函数用来释放动态开辟的内存。

如果参数 memblock 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数 memblock 是NULL指针，则函数什么事都不做。

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

void Test()
{
    //C语言函数动态申请空间
    //动态申请一个int类型的空间
    int* p1 = malloc(sizeof(int));
    //动态申请10个int类型的空间
    int* p2 = malloc(sizeof(int)*10);
    
    //释放
    free(p1);
    free(p2);
    
    //C++操作符动态申请空间
    //动态申请一个int类型的空间
    int* p3 = new int;

    //int* p3 = new int(0);//动态申请空间并初始化为0

    //动态申请10个int类型的空间
    int* p4 = new int[10];
    
    //释放
    delete p3;
    delete[] p4;
}

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。

那么，既然已经有了malloc和free，那为什么还要new和delete呢？

首先，对于内置类型，它们的效果是一样的；

但是，对于自定义类型，它们的效果就不一样了。

2 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()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;

	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	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;
}

当我们进行检测的时候，会发现：malloc/free只是单纯的申请和释放空间，而new/delete除了申请和释放空间还会调用构造函数和析构函数。

所以，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 。

四、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。

基本使用：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
	return 0;
}

运行结果：

通过代码会发现，malloc与operator new的使用方法差不多，并且运行之后都没有调用构造函数。

那它们的区别是什么呢？

通过上图我们会发现：malloc申请空间失败会返回0，而operator new申请空间失败会直接抛异常（面向对象处理错误的方式）。

结论：malloc与operator new的使用方式一样，但处理错误的方式不一样。

1 malloc/free，operator new/operator delete 和 new/delete 的关系

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。

即：operator new 等价于 malloc + 失败抛异常，new 等价于 operator new + 构造函数。

new比起malloc不一样的地方：

调用构造函数初始化；
失败了抛异常。

而delete一般不会失败，除非还空间的时候还的位置不对（比如该从0号下标处还，结果从10号下标还），所以，delete失败不会抛异常，而是直接终止掉程序。

因此，delete比起free不一样的地方：

调用析构函数清理。

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。operator delete 和 free 其实没区别，因为释放空间失败都是直接终止进程。operator delete 只是为了和 operator new 成对出现才产生的。

五、常见面试题：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

六、内存泄漏

1 什么是内存泄漏

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。

2 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。

当我们用new开辟1G空间：

然后，我们会发现：我们确实开辟空间成功了。

我们确实也看到了我们相应的内存占用也增加了。

但是，当我们运行完程序后，我们的内存占用最后又会减少。因为进程结束就会把资源回收掉。我们学了进程地址空间就知道：这里进程是正常退出的，而我们使用new得到的资源也是属于进程地址空间的，即：内存也是进程的一种资源之一，进程在正常结束的时候，如果我们没有释放资源，进程会帮我们将资源回收掉。它会将进程的虚拟地址与页表之间进行断开，如果映射了物理地址，物理的地址也就还给了操作系统。所以，这里不会有太大危害。

但是，如果这个进程是僵尸进程问题就大了。

所以，长期运行的程序出现内存泄漏的时候，危害就很大（如：进程如果在一直运行着，每次做一件事情都泄漏一点，那么，这个程序能够使用的内存就不断减少，然后，进程就会运行得越来越慢。比如游戏服务就是长期运行的程序）。或者设备的内存本身很小，也有危害。

3 内存泄漏的分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak)：

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过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 删掉。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。

4 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。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
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。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下: 内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

事前预防型。如智能指针等。
事后查错型。如泄漏检测工具。

七、如何在内存中申请4G的空间

我们这里以32位系统为例。

我们会发现：当我们在32位系统下时，我们申请2G空间都没法，更别说4G了。

那么，我们怎样才可以在内存中申请4G空间呢？

其实我们只需要将32位系统改成64位系统就可以了。

因为在32位系统下，整个进程地址空间总共就只有4G，高1G是给内核的，剩下就3G了，那如果进程一下子就申请2G，几乎就不可能。所以，根本原因就是进程地址空间不够大。

那如果我们改成64位的，进程地址空间的大小就变成2^64了，相当于40亿多乘以4G ，这样，地址空间就很大了。那就可以申请4G空间了。

C/C++内存管理

一、C/C++内存分布

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

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

1 malloc/free，operator new/operator delete 和 new/delete 的关系

五、常见面试题：malloc/free和new/delete的区别

六、内存泄漏

1 什么是内存泄漏

2 内存泄漏的危害

3 内存泄漏的分类

4 如何避免内存泄漏

七、如何在内存中申请4G的空间

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