Lesson5–C/C++内存管理

【本节目标】

• 1.C/C++内存分布
• 2.C语言中动态内存管理方式
• 3.C++中动态内存管理方式
• 4.operator new与operator delete函数
• 5.new和delete的实现原理
• 6.定位new表达式
• 7.常见面试题

C/C++内存分布

先看一段C语言代码和相关问题

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？__C__ staticGlobalVar在哪里？__C__staticVar在哪里？__C__ localVar在哪里？__A__num1 在哪里？__A__char2在哪里？__A__ *char2在哪里？__A__pChar3在哪里？__A__ *pChar3在哪里？__D__ptr1在哪里？__A__ *ptr1在哪里？__B__
2. 填空题：sizeof(num1) = __40__;sizeof(char2) = __5__; strlen(char2) = __4__;sizeof(pChar3) = __4__; strlen(pChar3) = __4__;sizeof(ptr1) = __4__;char2局部变量在栈区  char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上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

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

void Test ()
{int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));free(p1);// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);// 这里需要free(p2)吗？free(p3 );
}

一般来说这里是不用free的，因为p3realloc的原空间地址就是p2，realloc有两种实现方式，就是当p2后面的空间还足够的时候会在原地扩容，反之就会在其他一个地方找一块空间然后把p2的内容拷贝进去，但是不会free掉p2，所以最好还是free一下比较好

【面试题】

malloc/calloc/realloc

malloc申请的空间不会初始化，calloc申请的空间会初始化为0，realloc是扩容并且会拷贝原空间的内容

C++中内存管理的方式

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

new/delete操作内置类型

void test()
{int* ptr = new int;//动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int(10);//动态申请一个int类型的空间并且初始化为10int* ptr2 = new int[3];//动态申请3个int类型的空间delete ptr;delete ptr1;delete[] ptr2;
}

new/delete操作自定义类型

class Test
{
public:Test(): _data(0){cout << "Test():" << this << endl;}~Test(){cout << "~Test():" << this << endl;}private:int _data;
};void Test2()
{// 申请单个Test类型的对象Test* p1 = new Test;delete p1;// 申请10个Test类型的对象Test* p2 = new Test[10];delete[] p2;
}

运行结果:

可以看到，在使用new和delete的时候会自动调用构造函数和析构函数，但如果没有默认的构造函数会发生什么呢？

会导致无法new出对象

operator new和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 bytesvoid *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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过以上代码可以知道operator new实际也是通过malloc来申请的空间

operator new与operator delete的类专属重载

下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节

点使用内存池申请和释放内存，提高效率。

struct ListNode
{ListNode* _next;ListNode* _prev;int _data;void* operator new(size_t n){void* p = nullptr;p = allocator<ListNode>().allocate(1);cout << "memory pool allocate" << endl;return p;}void operator delete(void* p){allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);cout << "memory pool deallocate" << endl;}
};
class List
{
public:List(){_head = new ListNode;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}~List(){ListNode* cur = _head->_next;while (cur != _head){ListNode* next = cur->_next;delete cur;cur = next;}delete _head;_head = nullptr;}
private:ListNode* _head;
};
int main()
{List l;return 0;
}

new和delete的实现原理

内置类型

如果是申请内置类型的空间，其实差别不大，new在没有指定的情况下和malloc一样，都不会对数据进行初始化，delete和free也是一样的，然后就是new/delete是申请和释放单个空间，但new[]和delete[]是申请和释放连续的一段空间，再者就是new失败了是会抛异常，但malloc开辟空间失败了只会返回NULL

自定义类型

• new的原理

1.调用operator new函数进行申请空间

2.在申请的空间上去执行构造函数，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

2.再调用operator delete函数释放对象空间

• **new T[N]**的原理

1.调用operator new[]函数，在operator new[]函数中多次调用operator new来申请多个空间
2.在申请的空间上进行多次构造函数

• **delete T[N]**的原理

1.在释放对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理

2.再调用``operator delete[]来释放空间，实际上是通过多次调用operator delete`来进行释放空间

定位new表达式是(placement-new)

定位new即显示的调用构造函数、析构函数

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)

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，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

	A* a = new A;new(a)A;//显示地调用构造函数,如果A构造函数有参数的话需要传参a->~A();//显示地调用析构函数

常见面试题

malloc/free和new/delete的区别

首先，malloc和new的共同点就是都是在堆上面申请一块空间，并且都需要手动释放空间，不同点：

1.malloc和free是函数，new/delete是操作符

2.malloc不会初始化，new可以初始化

3.malloc需要手动计算大小，new不需要

4.malloc返回值是void*，在使用的时候需要强制类型转换，new不需要，new的后面跟的是类型

5.malloc申请失败返回NULL，需要手动判断，new是直接抛异常，用try catch捕获即可

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

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害是什么？

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。

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;}

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。