C++动态内存管理

- 前言
- 1. C/C++内存分布
- - 例题理解
- 2.C语言中动态内存管理方式（ malloc/calloc/realloc和free）
- 3.C++中动态内存管理方式
- - new和delete操作内置类型
  - new和delete操作自定义类型
- 4.operator new和operator delete函数
- 5.定位new表达式(placement-new)
- 6.内存泄漏
- - 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？
  - 内存泄漏分类？
  - - 1、堆内存泄漏(Heap Leak)
    - 2、系统资源泄漏
  - 如何避免内存泄漏？
- 8. 拓展知识：如何在电脑申请较大（1GB以上）的内存：
– the End –

前言

作为一名编程初学者，通常学习中，发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误，通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状，时隐时现，增加了改错的难度。了解内存分配并掌握运用它是必不可少的。本文主要针对C++动态内存管理内容进行分享，如果想了解C语言动态内存管理可以参考：【C语言进阶】动态内存管理（详细介绍）

1. C/C++内存分布

在C/C++程序地址空间当中，地址的增长方向是自底向上。分别是代码段、已初始化全局数据区、未初始化全局数据区、堆区、共享区（内存映射段）、栈区、命令行参数、环境变量。

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。
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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
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–存储全局数据和静态数据。
代码段–可执行的代码/只读常量。

注意：一般例如堆区，理论上而言，后malloc的内存地址比先malloc的要大，但是也不一定，因为有可能下一次申请的是之前释放回来的

例题理解

我们来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 (ptr3);
}

1. 选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段

globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____  localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
char2在哪里？____ *char2在哪里？___
pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____

2. 填空题：

sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

我们来揭晓答案：

需要特别注意以下几个：

char char2[] = "abcd";
char* pChar3 = "abcd";
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof (int)*4);

char2是定义在栈区的数组，"abcd"存放与数组中

pChar3是定义在栈区的指针，存放的是定义在常量区"abcd"的地址，"abcd"通过指针pChar3由栈区指向常量区

同理： ptr1是定义在栈区的指针，存的是在堆区开辟的空间的地址

因此：
char2在栈区，*char2也在栈区
pChar3在栈区，对pChar3解引用操作（*pChar3）则指向了常量区（代码段）
ptr1在栈区，对 ptr1解引用操作（* ptr1）则指向了堆区

2.C语言中动态内存管理方式（ malloc/calloc/realloc和free）

一、malloc

malloc函数的功能是开辟指定字节大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。传参时只需传入需要开辟的字节个数。

二、calloc

calloc函数的功能也是开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。calloc函数传参时需要传入开辟的内存用于存放的元素个数和每个元素的大小。calloc函数开辟好内存后会将空间内容中的每一个字节都初始化为0。

三、realloc

realloc函数可以调整已经开辟好的动态内存的大小，第一个参数是需要调整大小的动态内存的首地址，第二个参数是动态内存调整后的新大小。realloc函数与上面两个函数一样，如果开辟成功便返回开辟好的内存的首地址，开辟失败则返回NULL。

四、free

free函数的作用就是将malloc、calloc以及realloc函数申请的动态内存空间释放，其释放空间的大小取决于之前申请的内存空间的大小。

我们今天主要说说C++中动态内存管理方式：

3.C++中动态内存管理方式

首先，C语言内存管理的方式在C++中可以继续使用。但有些地方不够完善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。

new和delete操作内置类型

一、动态申请单个某类型的空间

//动态申请单个int类型的空间
int* p1 = new int; //申请delete p1; //销毁

其作用等价于C语言中的：

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

区别在于：
1.C语言的malloc属于库函数，C++中属于操作符，同时new/delete也是两个关键字
2.如果动态申请的对象是内置类型，用malloc和new没区别，如果动态申请的对象是自定义类型，有区别

new和delete操作自定义类型

new/delete不仅仅会开空间/释放空间，还会调用构造函数和析构函数
举个例子：

#include<iostream>using namespace std;class A
{public:A(int a=0)//构造:_a(a){cout << "A()" << endl;}~A()//析构{cout << "A()" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A* p4 = new A(10);//申请空间，传参（10），调用构造函数对开的空间初始化delete(p4);return 0;
}

通过监视可以看到申请的空间初始化为了10

动态申请多个类的空间

用new和delete操作符：

Test* p3 = new Test[10]; //申请，调用十次构造函数delete[] p3; //销毁

用malloc和free函数：

Test* p4 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10); //申请free(p4); //销毁

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[]
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和free不会
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。
申请（malloc new int[] new int）和释放（free delete[] delete）一定要匹配使用，否则可能会导致崩溃

4.operator new和operator delete函数

————————————————
粗略理解：
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。

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operator new()：指对new的重载形式，它是一个函数。并不是运算符。对于operator new的重载方式而言，分为两种，一种是全局重载而另一种是类重载。
全局重载 void* ::operator new(size_t size)，
在类中重载 void* A::operator new(size_t size)。

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。
operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的，和free没有任何差别。

new和operator new（）之间的关系（重点）：

首先理解对于A* a = new A中到底干了些什么事情？

分配内存；

调用构造函数生成类对象；

返回相应指针。

第一步中分配内存的操作由operator new(size_t)来完成的，如果类A重载了operator new，那么将调用A::operator new(size_t )，如果没有重载，就调用::operator new(size_t )。

同理，operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重载的。

new 不能被重载，它先调用operator new分配内存（要实现不同的内存分配行为，应该重载operator new，而不是new 。），然后调用构造函数初始化那段内存。

下面通过一张图来梳理一下他们之间的关系：

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。

5.定位new表达式(placement-new)

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)

其中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，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{public:
Test()
: _data(0)
{cout<<"Test():"<<this<<endl;
}
~Test()
{cout<<"~Test():"<<this<<endl;
}
private:
int _data;
};
void Test()
{// pt现在指向的只不过是与Test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
Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));
new(pt) Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
}

6.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。

我们来看一个例子：
在32位下运行下面的程序：

我们看到申请了1G的内存，但是没进行释放

我们在性能中也明确看到运行一次内存从5.8GB变到了4.8GB，如果多次运行，按理说每次都会造成1G的内存泄露。但是事实是多次运行可用内存还是4.8GB，对我们系统也好像没有影响。

我们来解释一下，一个进程正常结束后，会吧映射的内存都会释放掉，所以上面的进程，我们没有主动释放，但是进程正常结束后也释放了。那么内存泄露好像没什么影响？答案是否定的。

内存泄漏的危害：

看看下面的场景：
1.进程没有正常结束：比如僵尸进程，那么就可能存在一些资源没释放，造成内存泄漏。
2.长期运行的服务器程序：比如王者荣耀后台服务（长期运行，只有升级的时候才会停）—内存泄露会导致可用内存越来越少，程序越来越慢，甚至挂掉，导致一些事故。
3.物联网设备：扫地机器人，冰箱等—内存很小，也经不起内存泄漏的影响。

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。

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，申请的内存空间记住匹配的去释放。
采用RALL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，该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。

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。
————————————————

8. 拓展知识：如何在电脑申请较大（1GB以上）的内存：

仅在代码角度假设我们申请2G的内存：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{try{char* p = new char[0x7fffffff];//申请2GBprintf("%p\n", p);//申请成功，打印p}catch (const exception& e){cout << "申请内存失败！" << endl;}return 0;
}

在32位下看到显示申请内存失败，那我们怎么办呢？

首先我们应该理解一些概念，我们在堆上申请空间，实际上是在虚拟地址空间上的堆区申请，而在32位下，虚拟地址空间只有4G的空间，其中1G的空间还是分配给内核空间的，剩下的3G，除了其它区域需要的空间，在堆空间实际最多只能申请出来1G左右空间，但如果在64位下，虚拟地址空间就有2^34GB的空间大小，完全足够满足我们所需了。

备注：关于虚拟地址空间具体理解，可以参考博文：【Linux练习生】两万字带你看透进程（相关概念），最后一点有详细介绍。

所以我们可以通过将编译器上的win32改为x64（即64位平台），这样我们便可以一次性在堆上申请2G的内存了。

– the End –

以上就是我分享的C/C++内存管理，感谢阅读！

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2022/1/21
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