C++：内存管理（new和delete的使用以及底层原理、定位new表达式、malloc/free和new/delete的区别，内存泄漏）

内存管理

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

void* malloc(unsigned size);
void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement); 
void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);  

都在stdlib.h函数库内，它们的返回值都是请求系统分配的地址,如果请求失败就返回NULL.
(1)函数malloc()
在内存的动态存储区中分配一块长度为size字节的连续区域，参数size为需要内存空间的长度，返回该区域的首地址.
(2)函数calloc()
与malloc相似,参数sizeOfElement为申请地址的单位元素长度,numElements为元素个数，即在内存中申请numElements*sizeOfElement字节大小的连续地址空间.
(3)函数realloc()
给一个已经分配了地址的指针重新分配空间,参数ptr为原有的空间地址,newsize是重新申请的地址长度.

void Test()
{
	//开辟一个整形的大小
	int* p1 = (int *)malloc(sizeof(int));
	free(p1);//释放p1
	//开辟一个整形的大小并初始化为4
	int* p2 = (int *)calloc(4, sizeof(int));
	//对p2进行扩容操作
	int* p3 = (int *)realloc(p2, sizeof(int)* 10);
	free(p3);//释放p3
}

如上代码不需要对p2进行释放，因为p3对其增容的时候将p2的数据拷贝过去之后会将p2进行释放。realloc可以对一段空间进行缩容吗？答案是可以的，但是缩容之后，后面缩掉的空间如果有数据的话就会丢失，缩容不会重新开辟一块空间。

一、C++内存管理方式

通过 new 和 delete 操作符进行动态内存管理

void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr1 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr2 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr3 = new int[10];
delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;
}

同时new和malloc以及delete和free在内置类型上没有什么特别的差异，但是针对自定义类型就会不一样了，new和delete会对自定义类型自动调用构造函数和析构函数进行初始化和清理。

• 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。
• 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

具体看下方代码：

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		std::cout << "Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)" << std::endl;
	}
	~Date()
	{
		std::cout << "~Date()" << std::endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	//内置类型:除了用法不同之外基本无差异
	int* d1 = new int;
	int* d2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	delete d1;
	free(d2);

	//自定义类型
	Date* d3 = new Date;//开空间+初始化（会调用构造函数）
	Date* d4 = new Date(2019, 1, 1);//开空间+初始化（会调用构造函数）
	Date* d5 = (Date*)malloc(sizeof(Date));//只开空间
	delete d3;//清理+释放空间
	delete d4;//清理+释放空间
	free(d5);//只释放空间

	Date* d6=new Date[10];//开辟10个Date大小的空间（掉十次构造）
	delete[] d6;//释放要带[]（掉十次析构）
	system("pause");
	return 0;
}

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[]

运行结果如图：

二、operator new和operator delete

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和malloc以及operator delete和free用法基本一致。如下代码：

	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
	operator delete(p1);

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p2);

operator new 实际也是通过malloc来申请空间，但是给底层加上了一种异常机制。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，就会跳到捕捉异常的地方。operator delete 最终其实也是是通过free来释放空间的。

对于链表我们实现时是需要一个节点申请一个节点，但是如果开辟了很多个字节的话这样CPU去访问内存就会影响效率，所以可以考虑重载operator new和operator delete，定制它申请空间的方式，提前开好一段空间，让节点的申请不用再去找系统要，而都是从这个内存池里面拿。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。

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;
}

三、定位new表达式(placement-new)

如果malloc已经开辟了一块自定义类型的空间，但是它没有初始胡这块空间，那么我们要是想初始化这块空间应该怎么办呢？这就引入了定位new表达式。

Date* p = (Date*)malloc(sizeof(Date));
new(p)Date(2018, 2, 2);//定位new表达式

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。

四、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：

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
7. new/delete比malloc和free的效率稍微低点，因为new/delete的底层封装了malloc/free

五、内存泄漏

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。

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。

如何检测内存泄漏

在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
其他工具：内存泄漏工具比较

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。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。
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。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：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。