C/C++内存管理
1. 动态内存分配
为什么存在动态内存分配？
我们已知的内存开辟方式有：
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
但上述的开辟空间的方式有两个特点：
1. 空间开辟大小固定。
2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。 但是对于空间的需求，不仅仅是上述情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足。
2. C动态内存函数介绍
动态内存函数都声明在 stdlib.h 头文件中
2.1. malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数malloc：
void* malloc (size_t size);
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。
1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的。
函数原型如下：
void free (void* ptr);
free函数用来释放动态开辟的内存。
如果参数 ptr 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 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
测试代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int num = 100;
int* ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int))
if(NULL != ptr) // 判断ptr指针是否为空以确定内存是否申请成功
{
int i = 0;
for(i=0; i<num; i++)
{
*(ptr+i) = 0；
}
}
free(ptr); // 释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL; // 将NULL置空以避免野指针
return 0;
}
2.2. calloc
C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。
函数原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
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。
测试代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if(p!= NULL)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以使用calloc函数来完成任务。
2.3. realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们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，那为了合理的时候内存，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。
函数原型如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
ptr是要调整的内存地址，size为调整之后新大小
返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数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
要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
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，而之前的空间归还给堆。
测试代码
#include <stdio.h>
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//使用空间
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//扩展容量
int*p = NULL;
p = (int*)realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
2.4. 面试题
请看下面的一段代码和相关问题
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(ptr2);
free(ptr3);
}
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
globalVar在哪里？____ staticVar在哪里?____
staticGlobalVar在哪里？____ localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
分析:
globalVar全局变量在数据段；staticGlobalVar静态全局变量在静态区；
staticVar静态局部变量在静态区；localVar局部变量在栈区；
num1局部变量在栈区
char2在哪里？____ *char2在哪里？___
pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____
分析:
char2局部变量在栈区；*char2得到的是字符串常量字符在代码段
pChar3局部变量在栈区；pChar3得到的是字符串常量字符在代码段
ptr1局部变量在栈区ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区
答：C C C A A A D A D A B
【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，堆是可以上增长的。
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。
3. 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，但是有些地方就无能为力而且使用起来较麻烦，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
void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* p1 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p2 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[3];
delete p1;
delete p2;
delete[] p3;
p1 = nullptr;
p2 = nullptr;
p3 = nullptr;
}
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[]
3.2. 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;
};
void test()
{
// 申请单个A类型的空间
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
free(p1);
p1 = NULL;
// 申请10个A类型的空间
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
free(p2);
p2 = NULL;
// 申请单个A类型的对象
A* p3 = new A;
delete p3;
p3 = nullptr;
// 申请10个A类型的对象
A* p4 = new A[10];
delete[] p4;
p4 = nullptr;
}
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。
3.3. 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，则继续申请，否则抛异常。
抛异常需要用try，catch捕获。
*/
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可以知道，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。
3.4. new和delete的实现原理
3.4.1. 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，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。
3.4.2. 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
3.5.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。
不同点是：
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
5. 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
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
4.内存泄漏
4.1. 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？
概念：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。
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;
p3 = nullptr;
}
4.2. 内存泄漏分类
C/C++程序中一般关心两方面的内存泄漏：
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。
4.3. 如何避免内存泄漏
1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。
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。这套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(如valgrind，VLD等) 。
总结:
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
4.4. 面试题
如何一次在堆上申请4G的内存？
32位操作系统下，最大内存为4G。而堆可申请的内存就更少，一般1G-2G之间，所以无论如何也不能申请出4G内存。那么该怎么做呢？换成64位即可。
// 将程序编译成x64的进程
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
void* p = new char[0xfffffffful];
cout << "new:" << p << endl;
return 0;
}