C语言/C++内存管理

C 语言内存管理指对系统内存的分配、创建、使用这一系列操作。在内存管理中，由于是操作系统内存，使用不当会造成毕竟麻烦的结果。本文将从系统内存的分配、创建出发，并且使用例子来举例说明内存管理不当会出现的情况及解决办法。

一、内存

在计算机中，每个应用程序之间的内存是相互独立的，通常情况下应用程序 A 并不能访问应用程序 B，当然一些特殊技巧可以访问，但此文并不详细进行说明。例如在计算机中，一个视频播放程序与一个浏览器程序，它们的内存并不能访问，每个程序所拥有的内存是分区进行管理的。

在计算机系统中，运行程序 A 将会在内存中开辟程序 A 的内存区域 1，运行程序 B 将会在内存中开辟程序 B 的内存区域 2，内存区域 1 与内存区域 2 之间逻辑分隔。

1.1 内存四区

在程序 A 开辟的内存区域 1 会被分为几个区域，这就是内存四区，内存四区分为栈区、堆区、数据区与代码区。

栈区指的是存储一些临时变量的区域，临时变量包括了局部变量、返回值、参数、返回地址等，当这些变量超出了当前作用域时将会自动弹出。该栈的最大存储是有大小的，该值固定，超过该大小将会造成栈溢出。

堆区指的是一个比较大的内存空间，主要用于对动态内存的分配；在程序开发中一般是开发人员进行分配与释放，若在程序结束时都未释放，系统将会自动进行回收。

数据区指的是主要存放全局变量、常量和静态变量的区域，数据区又可以进行划分，分为全局区与静态区。全局变量与静态变量将会存放至该区域。

代码区就比较好理解了，主要是存储可执行代码，该区域的属性是只读的。

1.2 使用代码证实内存四区的底层结构

由于栈区与堆区的底层结构比较直观的表现，在此使用代码只演示这两个概念。首先查看代码观察栈区的内存地址分配情况：

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 0;int b = 0;char c='0';printf("变量a的地址是：%d\n变量b的地址是：%d\n变量c的地址是：%d\n", &a, &b, &c);}

运行结果为：

我们可以观察到变量 a 的地址是 2293324 变量 b 的地址是 2293320，由于 int 的数据大小为 4 所以两者之间间隔为 4；再查看变量 c，我们发现变量 c 的地址为 2293319，

与变量 b 的地址 2293324 间隔 1，因为 c 的数据类型为 char，类型大小为 1。在此我们观察发现，明明我创建变量的时候顺序是 a 到 b 再到 c，为什么它们之间的地址不是增加而是减少呢？那是因为栈区的一种数据存储结构为先进后出，如图：

首先栈的顶部为地址的“最小”索引，随后往下依次增大，但是由于堆栈的特殊存储结构，我们将变量 a 先进行存储，那么它的一个索引地址将会是最大的，随后依次减少；第二次存储的值是 b，该值的地址索引比 a 小，由于 int 的数据大小为 4，所以在 a 地址为 2293324 的基础上往上减少 4 为 2293320，在存储 c 的时候为 char，大小为 1，则地址为 2293319。由于 a、b、c 三个变量同属于一个栈内，所以它们地址的索引是连续性的，那如果我创建一个静态变量将会如何？在以上内容中说明了静态变量存储在静态区内，我们现在就来证实一下：

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 0;int b = 0;char c='0';static int d = 0;printf("变量a的地址是：%d\n变量b的地址是：%d\n变量c的地址是：%d\n", &a, &b, &c);printf("静态变量d的地址是：%d\n", &d);}

以上代码中创建了一个变量 d，变量 d 为静态变量，运行代码后从结果上得知，静态变量 d 的地址与一般变量 a、b、c 的地址并不存在连续，他们两个的内存地址是分开的。那接下来在此建一个全局变量，通过上述内容得知，全局变量与静态变量都应该存储在静态区，代码如下：

#include<stdio.h>
int e = 0;
int main()
{int a = 0;int b = 0;char c='0';static int d = 0;printf("变量a的地址是：%d\n变量b的地址是：%d\n变量c的地址是：%d\n", &a, &b, &c);printf("静态变量d的地址是：%d\n", &d);printf("全局变量e的地址是：%d\n", &e);}

运行结果如下：

从以上运行结果中证实了上述内容的真实性，并且也得到了一个知识点，栈区、数据区都是使用栈数据对数据进行存储。

在以上内容中还说明了一点栈的特性，就是容量具有固定大小，超过最大容量将会造成栈溢出。查看如下代码：

#include<stdio.h>int main()
{char arr_char[1024*1000000];arr_char[0] = '0';
}

以上代码定义了一个字符数组 arr_char，并且设置了大小为 1024*1000000，设置该数据是方便查看大小；随后在数组头部进行赋值。运行结果如下：

这是程序运行出错，原因是造成了栈的溢出。在平常开发中若需要大容量的内存，需要使用堆。

堆并没有栈一样的结构，也没有栈一样的先进后出。需要人为的对内存进行分配使用。代码如下：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>
int main()
{char *p1 = (char *)malloc(1024*1000000);strcpy(p1, "这里是堆区");printf("%s\n", p1);
}

以上代码中使用了strcpy 往手动开辟的内存空间 p1 中传数据“这里是堆区”，手动开辟空间使用 malloc，传入申请开辟的空间大小 1024*1000000，在栈中那么大的空间必定会造成栈溢出，而堆本身就是大容量，则不会出现该情况。随后输出开辟的内存中内容，运行结果如下：

在此要注意p1是表示开辟的内存空间地址。

二、malloc 和 free

在 C 语言（不是 C++)中，malloc 和 free 是系统提供的函数，成对使用，用于从堆中分配和释放内存。malloc 的全称是 memory allocation 译为“动态内存分配”。

2.1 malloc 和 free 的使用

在开辟堆空间时我们使用的函数为 malloc，malloc 在 C 语言中是用于申请内存空间，malloc 函数的原型如下：

void *malloc(size_t size);

在 malloc 函数中，size 是表示需要申请的内存空间大小，申请成功将会返回该内存空间的地址；申请失败则会返回 NULL，并且申请成功也不会自动进行初始化。

细心的同学可能会发现，该函数的返回值说明为 void *，在这里 void * 并不指代某一种特定的类型，而是说明该类型不确定，通过接收的指针变量从而进行类型的转换。在分配内存时需要注意，即时在程序关闭时系统会自动回收该手动申请的内存，但也要进行手动的释放，保证内存能够在不需要时返回至堆空间，使内存能够合理的分配使用。

释放空间使用 free函数，函数原型如下：

void free(void *ptr);

free 函数的返回值为 void，没有返回值，接收的参数为使用 malloc 分配的内存空间指针。一个完整的堆内存申请与释放的例子如下：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>int main() {int n, *p, i;printf("请输入一个任意长度的数字来分配空间:");scanf("%d", &n);p = (int *)malloc(n * sizeof(int));if(p==NULL){printf("申请失败\n");return 0;}else{printf("申请成功\n");} memset(p, 0, n * sizeof(int));//填充0 //查看 for (i = 0; i < n; i++)printf("%d ", p[i]);printf("\n");free(p);p = NULL;return 0;
}

以上代码中使用了 malloc 创建了一个由用户输入创建指定大小的内存，判断了内存地址是否创建成功，且使用了 memset 函数对该内存空间进行了填充值，随后使用 for 循环进行了查看。最后使用了 free 释放了内存，并且将 p 赋值 NULL，这点需要主要，不能使指针指向未知的地址，要置于 NULL；否则在之后的开发者会误以为是个正常的指针，就有可能再通过指针去访问一些操作，但是在这时该指针已经无用，指向的内存也不知此时被如何使用，这时若出现意外将会造成无法预估的后果，甚至导致系统崩溃，在 malloc 的使用中更需要需要。

2.2 内存泄漏与安全使用实例与讲解

内存泄漏是指在动态分配的内存中，并没有释放内存或者一些原因造成了内存无法释放，轻度则造成系统的内存资源浪费，严重的导致整个系统崩溃等情况的发生。

内存泄漏通常比较隐蔽，且少量的内存泄漏发生不一定会发生无法承受的后果，但由于该错误的积累将会造成整体系统的性能下降或系统崩溃。特别是在较为大型的系统中，如何有效的防止内存泄漏等问题的出现变得尤为重要。例如一些长时间的程序，若在运行之初有少量的内存泄漏的问题产生可能并未呈现，但随着运行时间的增长、系统业务处理的增加将会累积出现内存泄漏这种情况；这时极大的会造成不可预知的后果，如整个系统的崩溃，造成的损失将会难以承受。由此防止内存泄漏对于底层开发人员来说尤为重要。

C 程序员在开发过程中，不可避免的面对内存操作的问题，特别是频繁的申请动态内存时会及其容易造成内存泄漏事故的发生。如申请了一块内存空间后，未初始化便读其中的内容、间接申请动态内存但并没有进行释放、释放完一块动态申请的内存后继续引用该内存内容；如上所述这种问题都是出现内存泄漏的原因，往往这些原因由于过于隐蔽在测试时不一定会完全清楚，将会导致在项目上线后的长时间运行下，导致灾难性的后果发生。

如下是一个在子函数中进行了内存空间的申请，但是并未对其进行释放：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>
void m() { char *p1; p1 = malloc(100); printf("开始对内存进行泄漏...");
}int main() {m();return 0;
}

如上代码中，使用 malloc 申请了 100 个单位的内存空间后，并没有进行释放。假设该 m 函数在当前系统中调用频繁，那将会每次使用都将会造成 100 个单位的内存空间不会释放，久而久之就会造成严重的后果。理应在 p1 使用完毕后添加 free 进行释放：

free(p1);

以下示范一个读取文件时不规范的操作：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>
int m(char *filename) { FILE* f;int key; f = fopen(filename, "r"); fscanf(f, "%d", &key); return key;
}int main() {m("number.txt");return 0;
}

以上文件在读取时并没有进行 fclose，这时将会产生多余的内存，可能一次还好，多次会增加成倍的内存，可以使用循环进行调用，之后在任务管理器中可查看该程序运行时所占的内存大小，代码为：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>
int m(char *filename) { FILE* f;int key; f = fopen(filename, "r"); fscanf(f, "%d", &key); return key;
}int main() {int i;for(i=0;i<500;i++) {m("number.txt");}return 0;
}

可查看添加循环后的程序与添加循环前的程序做内存占用的对比，就可以发现两者之间添加了循环的代码将会成本增加占用容量。

未被初始化的指针也会有可能造成内存泄漏的情况，因为指针未初始化所指向不可控，如：

int *p;
*p = val;

包括错误的释放内存空间：

pp=p;
free(p);
free(pp);

释放后使用，产生悬空指针。在申请了动态内存后，使用指针指向了该内存，使用完毕后我们通过 free 函数释放了申请的内存，该内存将会允许其它程序进行申请；但是我们使用过后的动态内存指针依旧指向着该地址，假设其它程序下一秒申请了该区域内的内存地址，并且进行了操作。当我依旧使用已 free 释放后的指针进行下一步的操作时，或者所进行了一个计算，那么将会造成的结果天差地别，或者是其它灾难性后果。所以对于这些指针在生存期结束之后也要置为 null。查看一个示例，由于 free 释放后依旧使用该指针，造成的计算结果天差地别：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include <malloc.h>
int m(char *freep) { int val=freep[0];printf("2*freep=:%d\n",val*2);free(freep);val=freep[0];printf("2*freep=:%d\n",val*2);
}int main() {int *freep = (int *) malloc(sizeof (int));freep[0]=1;m(freep);return 0;}

以上代码使用 malloc 申请了一个内存后，传值为 1；在函数中首先使用 val 值接收 freep 的值，将 val 乘 2，之后释放 free，重新赋值给 val，最后使用 val 再次乘 2，此时造成的结果出现了极大的改变，而且最恐怖的是该错误很难发现，隐蔽性很强，但是造成的后顾难以承受。运行结果如下：

三、 new 和 delete

C++ 中使用 new 和 delete 从堆中分配和释放内存，new 和 delete 是运算符，不是函数，两者成对使用(后面说明为什么成对使用)。

new/delete 除了分配内存和释放内存（与 malloc/free），还做更多的事情，所有在 C++ 中不再使用 malloc/free 而使用 new/delete。

3.1 new 和 delete 使用

new 一般使用格式如下：

指针变量名 = new 类型标识符;
指针变量名 = new 类型标识符(初始值);
指针变量名 = new 类型标识符[内存单元个数];

注意：free/delete 不要重复调用，被系统立即回收后再利用，再一次 free/delete 很可能把不是自己的内存释放掉，导致异常甚至崩溃。

上面提到 new/delete 比 malloc/free 多做了一些事情，new 相对于 malloc 会额外的做一些初始化工作，delete 相对于 free 多做一些清理工作。

class A
{public:A(){cont<<"A()构造函数被调用"<<endl;}~A(){cont<<"~A()构造函数被调用"<<endl;}
}

在 main 主函数中，加入如下代码：

A* pa = new A();  //类 A 的构造函数被调用
delete pa;        //类 A 的析构函数被调用

可以看出：使用 new 生成一个类对象时系统会调用该类的构造函数，使用 delete 删除一个类对象时，系统会调用该类的析构函数。可以调用构造函数/析构函数就意味着 new 和 delete 具备针对堆所分配的内存进行初始化和释放的能力，而 malloc 和 free 不具备。

2.2 delete 与 delete[] 的区别

c++ 中对 new 申请的内存的释放方式有 delete 和 delete[] 两种方式，到底这两者有什么区别呢？

我们通常从教科书上看到这样的说明：

delete 释放 new 分配的单个对象指针指向的内存
delete[] 释放 new 分配的对象数组指针指向的内存那么，按照教科书的理解，我们看下下面的代码：

int *a = new int[10];
delete a;        //方式1
delete[] a;     //方式2

针对简单类型使用 new 分配后的不管是数组还是非数组形式内存空间用两种方式均可如：

int *a = new int[10];
delete a;
delete[] a;

此种情况中的释放效果相同，原因在于：分配简单类型内存时，内存大小已经确定，系统可以记忆并且进行管理，在析构时，系统并不会调用析构函数。

它直接通过指针可以获取实际分配的内存空间，哪怕是一个数组内存空间(在分配过程中系统会记录分配内存的大小等信息，此信息保存在结构体 _CrtMemBlockHeader 中，具体情况可参看 VC 安装目录下 CRTSRCDBGDEL.cpp)。

针对类 Class，两种方式体现出具体差异

当你通过下列方式分配一个类对象数组：

class A{private:char *m_cBuffer;int m_nLen;`` public:A(){ m_cBuffer = new char[m_nLen]; }~A() { delete [] m_cBuffer; }};A *a = new A[10];delete a;         //仅释放了a指针指向的全部内存空间 但是只调用了a[0]对象的析构函数 剩下的从a[1]到a[9]这9个用户自行分配的m_cBuffer对应内存空间将不能释放 从而造成内存泄漏delete[] a;      //调用使用类对象的析构函数释放用户自己分配内存空间并且   释放了a指针指向的全部内存空间

所以总结下就是，如果 ptr 代表一个用new申请的内存返回的内存空间地址，即所谓的指针，那么：

delete ptr 代表用来释放内存，且只用来释放 ptr 指向的内存。delete[] rg 用来释放rg指向的内存，！！还逐一调用数组中每个对象的destructor！！

对于像 int/char/long/int*/struct 等等简单数据类型，由于对象没有 destructor ，所以用 delete 和 delete []是一样的！但是如果是 C++ 对象数组就不同了！

关于 new[] 和 delete[]，其中又分为两种情况：

(1) 为基本数据类型分配和回收空间；
(2) 为自定义类型分配和回收空间；

对于 (1)，上面提供的程序已经证明了 delete[] 和 delete 是等同的。但是对于 (2)，情况就发生了变化。

我们来看下面的例子，通过例子的学习了解 C++ 中的 delete 和 delete[] 的使用方法

#include <iostream>
using namespace std;class Babe
{
public:Babe(){cout << \"Create a Babe to talk with me\" << endl;}~Babe(){cout << \"Babe don\'t Go away,listen to me\" << endl;}
};int main()
{Babe* pbabe = new Babe[3];delete pbabe;pbabe = new Babe[3];delete[] pbabe;return 0;
}

结果是:

Create a babe to talk with me

Babe don\'t go away,listen to me

Create a babe to talk with me

Babe don\'t go away,listen to me

大家都看到了，只使用 delete 的时候只出现一个 Babe don’t go away,listen to me，而使用 delete[] 的时候出现 3 个 Babe don’t go away,listen to me。不过不管使用 delete 还是 delete[] 那三个对象的在内存中都被删除，既存储位置都标记为可写，但是使用 delete 的时候只调用了 pbabe[0] 的析构函数，而使用了 delete[] 则调用了 3 个 Babe 对象的析构函数。

你一定会问，反正不管怎样都是把存储空间释放了，有什么区别。

答：关键在于调用析构函数上。此程序的类没有使用操作系统的系统资源（比如：Socket、File、Thread等），所以不会造成明显恶果。如果你的类使用了操作系统资源，单纯把类的对象从内存中删除是不妥当的，因为没有调用对象的析构函数会导致系统资源不被释放，这些资源的释放必须依靠这些类的析构函数。所以，在用这些类生成对象数组的时候，用 delete[] 来释放它们才是王道。而用 delete 来释放也许不会出问题，也许后果很严重，具体要看类的代码了。

最后祝各位保持良好的代码编写规范降低严重错误的产生。