C/C++——new和delete的实现原理（详解）

1.C/C++内存分布

• 我们从一段代码来分析内存分布(有图有注释)
  

• 总结：
• 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
• 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

2.C语言中动态内存管理方式

2.1malloc/calloc/realloc/free区别

• 总结：
• malloc：只进行空间申请，不进行初始化
• calloc：进行空间申请+零初始化
• realloc：①如果传入的第一个参数为nullptr/NULL，功能等价于malloc
• ②调整空间大小：a.直接原地调整大小 b.重新开空间，内容拷贝，释放原有空间(注意显式释放问题，引起二次释放的问题)

3.C++中动态内存管理(new和delete)

3.1new/delete操作内置类型

3.2new/delete操作自定义类型

• 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和operator delete函数

4.1operator new和operator delete 底层原理

• 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
  
• operator delete

4.2operaor new和operator delete的类专属重载

• 通过重载类专属operator new,operator delete，实现节点使用内存池申请和释放内存，提高效率
  

5.new和delete的实现原理

• 不和大家赘述了，这里总结了一张图供大家参考
  
• 附加一张图解delete和free
  

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：
• 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
  

7.相关面试题

7.1malloc/free和new/delete的区别

• 共同点：
• 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
• 不同点：
• 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
• 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在释放空间前后会调用析构函数完成空间中资源的清理

7.2内存泄漏

7.2.1什么是内存泄漏，内存泄露的危害

• 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
• 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
• 理解：就像在图书馆借书，只借不还，逐渐下去，图书馆自然无法运营下去

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;
 }

7.2.2内存泄漏的分类

• 堆内存泄露（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
• 系统资源泄露：
• 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

7.2.3如何避免内存泄漏

• 事前预防——智能指针
• 事后查错——泄露检测工具

7.3如何一次在堆上申请4G的空间

• 因为32位的环境下虚拟地址空间的大小只有4g，而光内核空间就需要1g，所以不可能申请得到，只有在64位的环境下才可以实现，只需要把执行环境改为64x即可

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	void* p = new char[0xfffffffful];
	cout << "new:" << p << endl;
	return 0;
}