C++内存管理

一.C++内存分布

C++中的，我们所说的内存是虚拟内存，它有4GB的存储空间，它分为内核空间，栈，内存映射段，堆，数据段，代码段这6个模块，他们的功能介绍如下所示：

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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3.    堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
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。 

二. C语言中动态内存管理方式

1.malloc/calloc/realloc的区别以及free

1.1. malloc函数

malloc函数可以从堆上获得指定字节的内存空间，其函数声明如下：

void * malloc(int n);

参数释义：
n：申请空间大小（单个类型大小*总个数）

函数详述：
其中，形参n为要求分配的字节数。如果函数执行成功，malloc返回获得内存空间的首地址；如果函数执行失败，那么返回值为NULL。由于malloc函数值的类型为void型指针，因此，可以将其值类型转换后赋给任意类型指针，这样就可以通过操作该类型指针来操作从堆上获得的内存空间。
需要注意的是,malloc函数分配得到的内存空间是未初始化的。
注意：通过malloc函数得到的堆内存必须使用memset函数来初始化。

1.2. calloc函数

calloc函数的功能与malloc函数的功能相似，都是从堆分配内存。其函数声明如下：

void *calloc(int n,int size);
参数释义：
size：单个类型大小
n：申请的个数
注意：最后申请空间大小为： n和size相乘

函数详述：
函数返回值为void型指针。如果执行成功，函数从堆上获得size * n的字节空间，并返回该空间的首地址。如果执行失败，函数返回NULL。该函数与malloc函数的一个显著不同时是，calloc函数得到的内存空间是经过初始化的，其内容全为0。calloc函数适合为数组申请空间，可以将size设置为数组元素的空间长度，将n设置为数组的容量。

1.3. realloc函数

realloc函数的功能比malloc函数和calloc函数的功能更为丰富，可以实现内存分配和内存释放的功能，其函数声明如下：

void * realloc(void * p,int n);

参数释义：
p：堆上已经存在空间的地址
n:空间的大小

函数详述：
其中，指针p必须为指向堆内存空间的指针，即由malloc函数、calloc函数或realloc函数分配空间的指针。realloc函数将指针p指向的内存块的大小改变为n字节。如果n小于或等于p之前指向的空间大小，那么。保持原有状态不变。如果n大于原来p之前指向的空间大小，那么，系统将重新为p从堆上分配一块大小为n的内存空间，同时，将原来指向空间的内容依次复制到新的内存空间上，p之前指向的空间被释放。relloc函数分配的空间也是未初始化的。

需要注意的是：使用malloc函数，calloc函数和realloc函数分配到的内存空间都要使用free函数来释放。

1.4它们三者的异同点

相同点：
1.都是从堆上申请空间
2.都需要对返回值判空
3.都需要用户free释放
4.返回值类型相同（void*）
5.都需要类型转化
6.底层实现上是一样的，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间

不同点：
1.函数名字不同和参数类型不同。
2.calloc会对申请空间初始化，并且初始化为0，而其他两个不会。
3.malloc申请的空间必须使用memset初始化
4.realloc是对已经存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL的时候和malloc一样
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3. C++内存管理方式 -- new/delete操作内置类型

        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

int main()
{
	//动态申请一个int数组
	int* p1 = new int;

	//动态申请一个int数组，并初始化为
	int* p2 = new int( 5 );

	//动态申请5个int数组
	// C++98不支持初始化new的数组, C++11支持用{}列表初始化
	int* p3 = new int[5]{1, 1, 2};

	//动态申请5个int数组
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);

	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	free(p4);
	//总结 malloc / free  和 new / delete 对于内置类型没有本质区别，只有用法上的区别
}

 

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  

class A
{
public:
	A(int a = 0)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	A(const A& aa)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};

int main()
{
	// 动态申请单个A对象 和 5个A对象数组
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A)*5);

	// new 在堆上申请对象空间+调用构造函数初始化对象
	A* p3 = new A;
	A* p4 = new A[5];//调用5次构造函数初始化对象

	//A* p3 = new A(10);//调用一次构造函数初始化对象，并且构造函数的参数为10
	//A* p4 = new A[5]{10,20,30,40,50};//调用一次构造函数初始化对象，并且构造函数的参数分别为为10,20,30,40,50

	free(p1);
	free(p2);

	// delete 先调用指针类型析构函数 + 释放空间给堆上
	delete p3;
	delete[] p4;

	// 一定要malloc free 和new /delete  new[] / delete []匹配使用，
	// 否则可能会崩溃，后果自负
	// 遵纪守法，匹配使用，平安平安
	//free(p3);
	//free(p4);
	//delete p4;

	return 0;
}

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。 

小知识：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

小知识：申请内存的异常处理机制

int main()
{
	// 面向对象的语言，处理错误的方式一般是抛异常，C++中也要求出错抛异常 -- try catch
	// 面向过程的语言，处理错误的方式是什么-》返回值+错误码解决
	/*char* p1 = (char*)malloc(1024u*1024u*1024u*2u);
	if (p1 == nullptr)
	{
	printf("%d\n", errno);
	perror("malloc fail");
	exit(-1);
	}
	else
	{
	printf("%p\n", p1);
	}*/

	try
	{
		BuyMemory();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

总结一下：

C++提出new和delete，主要是解决两个问题

1.自定义类型对象自动申请的时候，初始化和清理的问题。new/delete会调用构造函数和析构函数

2.new失败了以后要求抛异常，这样才符合面向对象语言的出错处理机制。

ps:delete和free一般不会失败，如果失败了，都是释放空间上存在越界或者释放指针位置不对 

小知识：内存泄漏

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。

 2、内存泄漏的危害是什么？

 a、出现内存泄漏的进程正常结束，进程结束时这些内存会还给系统，不会有什么大伤害！
 b、出现内存泄漏的进程非正常结束，比如僵尸进程。危害很大，系统会越来越慢，甚至卡死宕机。
 c、需要长期运行的程序，出现内存泄漏。危害很大，系统会越来越慢，甚至卡死宕机。--服务器程序

3.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。