本文围绕C和C++的内存管理展开。先通过例题介绍内存分布，接着阐述C语言的malloc、calloc、realloc和free，以及C++的new和delete操作符。还讲解了operator new与operator delete函数、new和delete的实现原理、定位new表达式。最后列举常见面试题，包括内存管理区别、类创建方式及内存泄漏问题。
- 话不多说先来个例题看看
1 . 例题
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 或者 8; strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4 或者 8;
- sizeof:类型大小
- strlen: 有效字符长度
3.总结
- 定义的局部变量(不管类型)都在栈空间上。
- 动态加载的都在堆上。
- 解引用的空间在堆上，本身的空间在栈上。
- 例题图解
3.【说明】
- 1.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。
- 2.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。
- 3.堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
- 4.数据段–》存储全局数据和静态数据。
- 5.代码段–》可执行的代码/只读常量。
2. c 语言中动态内存管理方式
2.1 malloc/calloc/realloc和free
- 函数使用的方法
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 );
}
2.1.1 malloc
- 动态申请内存
2.1.2 calloc
- 不光申请空间，还对这个空间进行初始化
- 初始化的空间用户不能指定，它自己规定为 0
2.1.3 realloc
-
调整空间
-
空间已经存在，只需要做调整空间大小
-
该函数在使用的时候需要判定,如果所需的空间大小比原始的地址空间尾部剩余的空间小,则直接在原始地址空间进行扩容。如果所需空间比原始地址空间尾部剩余的大,则需要重新申请一块地址,再将原始地址空间中的内容复制到新的地址块,并将原始地址空间释放掉.
-
原理示意图
void realloc(int *ptr,int size)
//ptr 指向需要调整的空间，而size 表示需要的空间大小
#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
int *pi=(int *)malloc(sizeof(int )*20);
//申请动态内存
free(pi);
//将申请的内存释放掉
char *pc=(char *)malloc(20);
char *ppc=(char *)realloc(pc,40);
//free(pc); 释放pc 不保险
free(ppc);
return 0;
}
3.C++ 的内存管理方式
- 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。
3.1 new/delete操作内置类型
#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
int *pa = new int;
//new 为关键字， 而int 为需要申请的空间中存储数据的类型
int *pb = new int(1);
//申请一块空间，并且初始值赋为 1
delete pb;
//c++释放单个空间的方式
int *pc = new int[10];
//申请一块连续的空间，空间为10个int类型的空间大小为 40 字节
delete[]pc;
//c++释放连续空间的方式
//new/delete new[]/delete []
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 []
3.2 new和delete操作自定义类型
- new 和 delete 的使用实例
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
class A{
private:
int _a;
int _b;
};
int main(){
A* pa = (A *)malloc(sizeof(A));
free(pa);
A *pb = new A;
delete pb;
A *pc = new A[10];
delete[]pc;
return 0;
}
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<windows.h>
using namespace std;
class A{
public:
A(){
cout << "A" << endl;
}
~A(){
//释放空间
//if(_pi){
//free(_pi);
//_pi=nullptr;
cout << "~A" << endl;
}
private:
int _a;
int _b;
int *_pi;
//加入申请了空间
};
int main(){
/*A* pa = (A *)malloc(sizeof(A));
free(pa);*/
A *pb = new A;
//new 调用自定义类型的构造函数，malloc不会
delete pb;
//delete 调用自定义类型的析构函数，free不会
/*A *pc = new A[10];
delete[] pc;*/
system("pause");
return 0;
}
//总结：new->operator new ->构造
// delete -->析构 --->opeator delete
- 例题
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类型的空间
Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
free(p1);
// 申请10个Test类型的空间
Test* p2 = (Test*)malloc(sizoef(Test) * 10);
free(p2);
}
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;
}
- 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
4. 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。
/*
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 bytes
void *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);
}
- 申请空间异常的情况
#include<iostream>
#include<windows.h>
using namespace std;
int main(){
//两种处理异常的方式
cout << "malloc:" << endl;
char *p = (char*)malloc(0x7ffffffff);
cout << (void*)p << endl;
free(p);
cout << "new:" << endl;
try{
char *p = new char[0X7fffffff];
cout << (void*)p << endl;
}
catch (exception& e){
cout << e.what() << endl;
//特殊接口：e.what()
}
//operator new:malloc + 异常
//operator delete<==>free(相当于)
system("pause");
return 0;
}
4.1双向链表中的应用
struct ListNode{
ListNode *_prev;
LisrNode *_next;
int _date;
void *operator new(size_t n){
void *p=allocator<ListNode>().allocate(1);
cout<<"mem pool allocate"<<endl;
return p;
}
void operator delete (void *p){
allocator<ListNode>
}
};
int mian(){
List *p1=new List[10];
// free(p1); //用new 申请的空间必须要delete 来释放
delete[] p1; //
return 0;
}
new\delete\总结
- 自定义类型：new malloc delete free
- new: opeator new ---->malloc + 构造
- malloc: malloc
- new[N] : operator new [N]—>opertor new —>malloc + N次构造
- delete :析构 + opeator delete —>free
- free: free
- delete[]: N(析构 + operator delete --> free)
- new 申请的空间，系统不会自己释放，需要自己手动释放(delete)
- 内置类型：
- new : malloc + 异常
- malloc :malloc
- delete: 封装free
- free: free
5.new和delete的实现原理
5.1 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。
5.2 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
- 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
6.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：
- 1.new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
- 2.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
class Test
{
public:
Test()
: _data(0) //初始化表达式
{
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
}
//初始化表达式使用的例子
class Date{
public:
Date(int year=1900,int month=1,int day=1)
:_year(year)
,_month(month)//初始化表达式使用的例子
,_day(day)
{}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
}
int main(){
Date* pd=(Date*) malloc(sizeof(Date));
Date* pd2=(Date*) malloc(sizeof(Date));
//pd2的值是随机的
new(pd)Date; //不带参
new(pd2)Date（1939，2，3）; //带参
return 0;
}
class A{
int a;
};
int main(){
A* pa =new A;
delete pa;//delete释放指针指向的那一快堆上的空间
return 0;
}
7.常见的面试题
7.1 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
7.2 请设计一个类，该类只能在堆上创建对象
- 方法一：构造函数私有化
- 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝
- 在栈上生成对象
class HeapOnly
{
public:
static HeapOnly* CreateObject()
{
return new HeapOnly;
}
private:
HeapOnly() {}
// C++98
// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦，而你本身不需要
// 2.声明成私有
HeapOnly(const HeapOnly&)；
// or
// C++11
HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};
//指针访问 ->
//对象 .
//1.构造函数私有化
//2.提供公共接口：在堆上创建对象
//3.在类外面无法创建对象，函数用类名调用，公共接口必须为static接口
//4.防止拷贝:
//<1>:拷贝构造私有化，只声明不实现
//<2>：拷贝构造声明成delete函数(C++11的特性)
class Heap
{
friend void fun1();
public:
static Heap* getHeap()
{
return new Heap;
}
Heap(const Heap& hp) = delete;
private:
Heap(){}
};
Heap::Heap(const Heap& hp){}
void fun1()
{
Heap* hp = Heap::getHeap();
Heap hp2(*hp);
}
int main()
{
/*Heap* hp = new Heap;
Heap hhp;
hp->getHeap();
hhp.getHeap();*/
Heap* hp = Heap::getHeap();
Heap hp2(*hp);
return 0;
}
7.3 请设计一个类，该类只能在栈上创建对象(类似上面)
- new 关键字是如何执行的
- 不能在堆上建造空间
class Stack{
public:
static Stack getStack(){
return Stack();//不能返回指针(也不能返回引用)
//当前函数的返回值，在栈上
}
private:
stack(){
}
};
class statck2{
///new --> opeator new;
void *operator new(size_t n)=delete;
//放在公共的申明下，依旧不可调动
//无法使用，被删除的函数
private:
void *operator new(size_t n);
};
int main(){
//Stack *ps=new Stack;
Stack s=Stack :: getStack():
Stack cp(s); // cp在栈上
stack2 ps =new stack2;
return 0;
}
- 只能在栈上创建对象的类
- new —>operator new -->构造
方法一：
- 1.构造函数私有化，间接阻止new 关键字的执行逻辑
- 1.构造公共接口：在栈上创建对象
- 1.在类外面无法创建对象，函数用类名调用，公共接口必须为static接口
方法二：
- 1.重载operator new 函数，申明成私有的，并且不实现
- 2.构造函数公有
单例模式:全局唯一一份
- 1.饿汉
缺点： 1.启动比较慢
2.没有办法控制多个单例模式之间的启动顺序
//饿汉模式
//优点：简单
// 缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。
class singleton{
public:
static singlleton* getInstance(){
return & _sin;
}
private:
singleton(){ }
//防拷贝
//singleton (const singlenton &s);//或写成删除函数都可以
singleton (const singlenton &s)=delete;
//singlrton &operator=(const singleton &s);
static singleton _sin; //c程序启动前，已经定义好了
//singleton _sin;//不能如此定义，其会自己调自己。
};
singleton singleton::_sin;
int main(){
singleton *ps=singleton :: getInstance;
singleton s(*ps);
return 0;
}
- 饿汉模式
如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊， 初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。 所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好.
class singleton{
public:
singleton *getIntance(){
if(_ps==nullptr){
_ps = new singleton;
//第一次还没有，现场做
}
return _ps;
//第二次以后已经做好了，直接拿去用
}
private:
singleton(){}
singleton(const singleton& s);//只声明不是
static singleton* _ps;//全局唯一
};
singleton *singleton ::_ps=nullptr;
//先置空，啥时候需要再给你
int main(){
singleton* ps = singleton :: getIntance();
singleton *ps2 =singleton :: getIntance();
return 0;
}
#include <thread>
#include <mutex>
class Singleton
{
public:
static Singleton* getInstance()
{
// double check
if (_ps == nullptr)
{
_mtx.lock();
if (_ps == nullptr)
{
_ps = new Singleton;
}
_mtx.unlock();
}
return _ps;
}
void testSing()//多线程
{
cout << Singleton::getInstance() << endl;
}
int main()
{
/*Singleton* ps = Singleton::getInstance();
Singleton* ps2 = Singleton::getInstance();
int i = 0;
i++;*/den
/*fun(); //串行
fun();*/
/*thread t1(fun); //并行，同时执行
thread t2(fun);*/
/*testSing();
testSing();*/
thread t1(testSing);
thread t2(testSing);
t1.join(); // 等待
t2.join();
return 0;
}
//造成无限递归
~Singleton(){
if(_ps){
delete _ps; //无限递归
_ps=nullpte
}
}
//能做到释放空间
~Singleton()
{
cout << "~Singleton()" << endl;
}
class GC
{
public:
~GC()
{
if (_ps)
{
delete _ps;
_ps = nullptr;
}
}
};
int main()
{
Singleton* ps = Singleton::getInstance();
//delete ps;//不能这样去释放堆上的空间，造成无限递归
//调用析构函数，造成栈溢出
return 0;
}
//多线程：多个人做一份工作
//单线程：一个人做一份工作
//多个线程加把锁
#include
_mtx.clock(); // 加锁
。。。。。
_mtx.unlock(); //解锁
//加锁的代价 —>
//多个进程同时进行时，锁只影响第一批进程。
static mutex
7.5 内存泄漏
7.5.1 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
//当使用delet时，调用析构函数，导致无限递归
~singleton(){
if(_ps){
//无限递归，导致栈溢出.原因:delete使用时调用析构函数
delete _ps;
_ps = nulllpter;
}
}
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没被放.
delete []p3;
}
7.5.2 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
7.5.3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。
//1. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
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;
}
- 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。
- 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。
7.6 如何一次在堆上申请4G的内存
// 将程序编译成x64的进程，运行下面的程序试试？
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
void* p = new char[0xfffffffful];
cout << "new:" << p << endl;
return 0;
}
扫一扫
3万+
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
