【C/C++】内存管理

最新推荐文章于 2024-07-29 00:55:57 发布

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C/C++内存分布
C语言动态内存管理
C++内存管理方式
- 内置类型
- 自定义类型
operator new与operator delete函数
new和delete的实现原理
- 对于内置类型
- 对于自定义类型：
了解定位new表达式(placement-new)
malloc/free和new/delete的区别
内存泄漏
- 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
- 内存泄漏分类（了解）

C/C++内存分布

为更好理解C/C++的内存分布，看看下面的代码

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";
	const 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);
}

知道代码中的各个部分分别存储在内存中的哪一个区域吗？
在这里插入图片描述
怎么样，都做对了吗？

解释：
内存区域大致可以分为几个部分：栈区，堆区，静态区，常量区，代码区
栈区（Stack）：

函数调用时局部变量（包括非静态局部变量）的存储区域。
函数调用的参数传递和返回值的临时存储。
栈上的数据由编译器自动分配和释放，其操作方式类似于数据结构中的栈。

堆区（Heap）：

程序员使用malloc、calloc、realloc、new等函数或操作符动态分配的内存区域。
当程序员确定在程序运行期间需要这些数据时，它们会被分配在堆上。
程序员负责在不再需要这些数据时释放它们（使用free或delete），否则会导致内存泄漏。

静态区（Static Area）：

全局变量和静态变量的存储区域。
静态变量包括在函数内部定义的静态局部变量（它们在函数调用之间保持其值）。
全局变量和静态变量的生命周期是整个程序执行期间。

常量区（Constant Area）：

字符串常量和其他字面量（如整数常量、浮点常量等）的存储区域。
这些常量在程序编译时分配内存，并且在整个程序执行期间保持不变。
试图修改字符串常量或其他字面量会导致未定义行为，尽管在C++中可以通过使用const_cast来移除常量性，但这通常是不安全的。

代码区（Code Area 或 Text Area）：

这通常不被视为一个独立的“存储区域”，但它是程序的一个重要部分。它包含程序的机器代码（即程序的实际指令）。
代码区是只读的，以防止程序意外地修改其指令。

有了各个区域数据存放类型的说明，相信以上问题都可以迎刃而解，不过可能对于 *char2， *pchar3还有点疑问。

char2：char2是数组名；*char2即数组char2的首字符’a’,此处数组名和数组元素都是在栈区开辟的。char2数组里面的内容是可以更改。本质是在栈区开辟一块空间，并将其设为字符。

pchar3：pchar3是指针变量，指向一个字符串；*pchar3是字符串内容，是无法被更改的。本质是用一个指针去指向一段放在常量区无法被修改的字符串。
栈，常量区

区域划分图
内存分布

C语言动态内存管理

malloc

void* malloc (size_t size);

功能： 分配内存块

分配一个字节内存块，返回指向该块开头的指针。
新分配的内存块的内容未初始化，仍保留不确定的值。

使用：

    int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1)//释放

calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

功能： 分配和零初始化数组

为元素数组分配一个内存块，每个元素的字节长度，并将其所有位初始化为零。
有效结果是分配一个零初始化的字节内存块。

使用：

int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
free(p2);

realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size);

功能： 重新分配内存块

更改所指向的内存块的大小。该函数可能会将内存块移动到新位置（该函数返回其地址）。
内存块的内容将保留到新旧大小中的较小者，即使将内存块移动到新位置也是如此。如果新的较大，则新分配部分的值是不确定的。
如果是null 指针，则该函数的行为类似于malloc ，分配一个新的字节块并返回指向其开头的指针。

realloc函数调整动态内存大小的时候会有三种情况：
1、原地扩。需扩展的空间后方有足够的空间可供扩展，此时，realloc函数直接在原空间后方进行扩展，并返回该内存空间首地址（即原来的首地址）。
2、异地扩。需扩展的空间后方没有足够的空间可供扩展，此时，realloc函数会在堆区中重新找一块满足要求的内存空间，把原空间内的数据拷贝到新空间中，并主动将原空间内存释放（即还给操作系统），返回新内存空间的首地址。
3、扩充失败。需扩展的空间后方没有足够的空间可供扩展，并且堆区中也没有符合需要开辟的内存大小的空间。结果就是开辟内存失败，返回一个NULL。

使用：

    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	free(p3);//p2无需再释放

free

void free (void* ptr);

功能： 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.

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。

内置类型

对于内置类型，new和delete和C语言的没有什么区别。
内存管理

	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	delete ptr1;
	//等同于C语言的
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
	delete ptr2;
	//开辟多个空间时也可初始化，没给定初始值的默认设为0
	int* ptr4 = new int[10]{ 1,2,3,4,5,6,7 };
	delete[]ptr4;

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];
	delete[] ptr3;
	//等同于
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(p2);

C++动态管理对于内置类型与C语言没什么差别，新增了可以在开辟空间对其初始化。

自定义类型

以一个简单类为例：

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
}

new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数

申请一个类对象

	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;

new
可以通过调试感受。

申请多个类对象

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

这里要注意配套使用，new的空间用delete释放，new[]的空间用delete[]释放。否则有可能会出现问题，总之，配套使用准没错。

对于内置类型是一样的

	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

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。

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。

而operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一样，其功能都是在堆上申请和释放空间

operator new本质是通过malloc来实现的：

    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(ptr1);
	
	int* ptr2 = (int*)operator new(sizeof(int));
	operator delete (ptr2);

operator new
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

通过上述两个全局函数的实现知道，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来释放空间的。

实际上，new，delete的底层都是通过malloc，free实现的。

实现机制

new和delete的实现原理

对于内置类型

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。

对于自定义类型：

new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理

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
在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

连续申请

了解定位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。
最大的特点就是支持显示调用构造函数。

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

// p1现在指向的只不过是与A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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;//注意：如果A类的构造函数不是默认构造函数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);//支持了显示调用构造函数。
	p2->~A();
	operator delete(p2);

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。，空间还是在堆上开辟，只不过提前开辟好放到内存池中，提高效率。

内存池

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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
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
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
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