詳解C/C++內(nèi)存管理

更新時間：2021年06月11日 15:19:32 作者：2021dragon

內(nèi)存管理是C++最令人切齒痛恨的問題，也是C++最有爭議的問題，C++高手從中獲得了更好的性能，更大的自由，今天給大家分享C/C++內(nèi)存管理的實例代碼，需要的朋友參考下吧

C/C++內(nèi)存分布

讓我們先來看看下面這段代碼：

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);
}

你知道代碼中的各個部分分別存儲在內(nèi)存中的哪一個區(qū)域嗎？

在這里插入圖片描述

【說明】
1、棧又叫堆棧，用于存儲非靜態(tài)局部變量/函數(shù)參數(shù)/返回值等等，棧是向下增長的。
2、內(nèi)存映射段是高效的I/O映射方式，用于裝載一個共享的動態(tài)內(nèi)存庫。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享內(nèi)存，做進程間通信。
3、堆用于存儲運行時動態(tài)內(nèi)存分配，堆是向上增長的。
4、數(shù)據(jù)段又叫靜態(tài)區(qū)，用于存儲全局數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。
5、代碼段又叫常量區(qū)，用于存放可執(zhí)行的代碼和只讀常量。

順便提一下：為什么說棧是向下增長的，而堆是向上增長的？

在這里插入圖片描述

簡單來說，在一般情況下，在棧區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較高，而在堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較低。

例如，下面代碼中，變量a和變量b存儲在棧區(qū)，指針c和指針d指向堆區(qū)的內(nèi)存空間：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//棧區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址高
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	//堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址低
	int* c = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	int* d = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	cout << c << endl;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

因為在棧區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較高，所以打印出來a的地址大于b的地址；在堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較低，所以c指向的空間地址小于d指向的空間地址。

注意：在堆區(qū)開辟空間，后開辟的空間地址不一定比先開辟的空間地址高。因為在堆區(qū)，后開辟的空間也有可能位于前面某一被釋放的空間位置。

C語言中動態(tài)內(nèi)存管理方式

malloc、calloc、realloc和free
一、malloc

malloc函數(shù)的功能是開辟指定字節(jié)大小的內(nèi)存空間，如果開辟成功就返回該空間的首地址，如果開辟失敗就返回一個NULL。傳參時只需傳入需要開辟的字節(jié)個數(shù)。

二、calloc

calloc函數(shù)的功能也是開辟指定大小的內(nèi)存空間，如果開辟成功就返回該空間的首地址，如果開辟失敗就返回一個NULL。calloc函數(shù)傳參時需要傳入開辟的內(nèi)存用于存放的元素個數(shù)和每個元素的大小。calloc函數(shù)開辟好內(nèi)存后會將空間內(nèi)容中的每一個字節(jié)都初始化為0。

三、realloc

realloc函數(shù)可以調(diào)整已經(jīng)開辟好的動態(tài)內(nèi)存的大小，第一個參數(shù)是需要調(diào)整大小的動態(tài)內(nèi)存的首地址，第二個參數(shù)是動態(tài)內(nèi)存調(diào)整后的新大小。realloc函數(shù)與上面兩個函數(shù)一樣，如果開辟成功便返回開辟好的內(nèi)存的首地址，開辟失敗則返回NULL。

realloc函數(shù)調(diào)整動態(tài)內(nèi)存大小的時候會有三種情況：
1、原地擴。需擴展的空間后方有足夠的空間可供擴展，此時，realloc函數(shù)直接在原空間后方進行擴展，并返回該內(nèi)存空間首地址（即原來的首地址）。
2、異地擴。需擴展的空間后方?jīng)]有足夠的空間可供擴展，此時，realloc函數(shù)會在堆區(qū)中重新找一塊滿足要求的內(nèi)存空間，把原空間內(nèi)的數(shù)據(jù)拷貝到新空間中，并主動將原空間內(nèi)存釋放（即還給操作系統(tǒng)），返回新內(nèi)存空間的首地址。
3、擴充失敗。需擴展的空間后方?jīng)]有足夠的空間可供擴展，并且堆區(qū)中也沒有符合需要開辟的內(nèi)存大小的空間。結(jié)果就是開辟內(nèi)存失敗，返回一個NULL。

四、free

free函數(shù)的作用就是將malloc、calloc以及realloc函數(shù)申請的動態(tài)內(nèi)存空間釋放，其釋放空間的大小取決于之前申請的內(nèi)存空間的大小。

若還想進一步了解malloc、calloc、realloc和free，請閱讀C語言動態(tài)內(nèi)存管理。

C++中動態(tài)內(nèi)存管理方式

首先，C語言內(nèi)存管理的方式在C++中可以繼續(xù)使用。但有些地方就無能為力而且使用起來比較麻煩，因此C++又提出了自己的內(nèi)存管理方式：通過new和delete操作符進行動態(tài)內(nèi)存管理。

new和delete操作內(nèi)置類型

一、動態(tài)申請單個某類型的空間

//動態(tài)申請單個int類型的空間
	int* p1 = new int; //申請
	
	delete p1; //銷毀

其作用等價于：

//動態(tài)申請單個int類型的空間
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申請

	free(p2); //銷毀

二、動態(tài)申請多個某類型的空間

//動態(tài)申請10個int類型的空間
	int* p3 = new int[10]; //申請

	delete[] p3; //銷毀

其作用等價于：

//動態(tài)申請10個int類型的空間
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申請
	
	free(p4); //銷毀

三、動態(tài)申請單個某類型的空間并初始化

//動態(tài)申請單個int類型的空間并初始化為10
	int* p5 = new int(10); //申請 + 賦值

	delete p5; //銷毀

其作用等價于：

	//動態(tài)申請一個int類型的空間并初始化為10
	int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申請
	*p6 = 10; //賦值

	free(p6); //銷毀

四、動態(tài)申請多個某類型的空間并初始化

//動態(tài)申請10個int類型的空間并初始化為0到9
	int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申請 + 賦值

	delete[] p7; //銷毀

其作用等價于：

//動態(tài)申請10個int類型的空間并初始化為0到9
	int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申請
	for (int i = 0; i < 10; i++) //賦值
	{
		p8[i] = i;
	}

	free(p8); //銷毀

注意：申請和釋放單個元素的空間，使用new和delete操作符；申請和釋放連續(xù)的空間，使用new[ ]和delete[ ]。

new和delete操作自定義類型

對于以下自定義類型：

class Test
{
public:
	Test() //構(gòu)造函數(shù)
		:_a(0)
	{
		cout << "構(gòu)造函數(shù)" << endl;
	}
	~Test() //析構(gòu)函數(shù)
	{
		cout << "析構(gòu)函數(shù)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

一、動態(tài)申請單個類的空間
用new和delete操作符：

Test* p1 = new Test; //申請
	
	delete p1; //銷毀

用malloc和free函數(shù)：

Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)); //申請
	
	free(p2); //銷毀

二、動態(tài)申請多個類的空間
用new和delete操作符：

Test* p3 = new Test[10]; //申請
	
	delete[] p3; //銷毀

用malloc和free函數(shù)：

Test* p4 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10); //申請
	
	free(p4); //銷毀

注意：在申請自定義類型的空間時，new會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，delete會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc和free不會。

總結(jié)一下：
1、C++中如果是申請內(nèi)置類型的對象或是數(shù)組，用new/delete和malloc/free沒有什么區(qū)別。
2、如果是自定義類型，區(qū)別很大，new和delete分別是開空間+構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)+釋放空間，而malloc和free僅僅是開空間和釋放空間。
3、建議在C++中無論是內(nèi)置類型還是自定義類型的申請和釋放，盡量都使用new和delete。

operator new和operator delete函數(shù)

new和delete是用戶進行動態(tài)內(nèi)存申請和釋放的操作符，operator new和operator delete是系統(tǒng)提供的全局函數(shù)，new和delete在底層是通過調(diào)用全局函數(shù)operator new和operator delete來申請和釋放空間的。
operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一樣，其功能都是在堆上申請和釋放空間。

int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申請
	
	operator delete(p1); //銷毀

其作用等價于：

int* p2 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申請
	
	free(p2); //銷毀

實際上，operator new的底層是通過調(diào)用malloc函數(shù)來申請空間的，當malloc申請空間成功時直接返回；若申請空間失敗，則嘗試執(zhí)行空間不足的應對措施，如果該應對措施用戶設(shè)置了，則繼續(xù)申請，否則拋異常。而operator delete的底層是通過調(diào)用free函數(shù)來釋放空間的。

在這里插入圖片描述

注意：雖然說operator new和operator delete是系統(tǒng)提供的全局函數(shù)，但是我們也可以針對某個類，重載其專屬的operator new和operator delete函數(shù)，進而提高效率。

new和delete的實現(xiàn)原理

內(nèi)置類型

如果申請的是內(nèi)置類型的空間，new/delete和malloc/free基本類似，不同的是，new/delete申請釋放的是單個元素的空間，new[ ]/delete [ ]申請釋放的是連續(xù)的空間，此外，malloc申請失敗會返回NULL，而new申請失敗會拋異常。

自定義類型

new的原理
1、調(diào)用operator new函數(shù)申請空間。
2、在申請的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對象的構(gòu)造。

delete的原理
1、在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對象中資源的清理工作。
2、調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對象的空間。

new T[N]的原理
1、調(diào)用operator new[ ]函數(shù)，在operator new[ ]函數(shù)中實際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個對象空間的申請。
2、在申請的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)。

delete[ ] 的原理
1、在空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個對象中資源的清理。
2、調(diào)用operator delete[ ]函數(shù)，在operator delete[ ]函數(shù)中實際調(diào)用operator delete函數(shù)完成N個對象空間的釋放。

定位new和表達式(placement-new)

定位new表達式是在已分配的原始內(nèi)存空間中調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化一個對象。
使用格式：

new(place_address)type 或者 new(place_address)type(initializer-list)

其中place_address必須是一個指針，initializer-list是類型的初始化列表。

使用場景：
定位new表達式在實際中一般是配合內(nèi)存池使用，因為內(nèi)存池分配出的內(nèi)存沒有初始化，所以如果是自定義類型的對象，就需要使用定位new表達式進行顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0) //構(gòu)造函數(shù) 
		:_a(a)
	{}

	~A() //析構(gòu)函數(shù)
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//new(place_address)type 形式
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;

	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p2)A(2021);

	//析構(gòu)函數(shù)也可以顯示調(diào)用
	p1->~A();
	p2->~A();
	return 0;
}

注意：在未使用定位new表達式進行顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進行初始化之前，malloc申請的空間還不能算是一個對象，它只不過是與A對象大小相同的一塊空間，因為構(gòu)造函數(shù)還沒有執(zhí)行。

常見面試題

malloc/free和new/delete的區(qū)別？

共同點：
都是從堆上申請空間，并且需要用戶手動釋放。
不同點：

1、malloc和free是函數(shù)，new和delete是操作符。
2、malloc申請的空間不會初始化，new申請的空間會初始化。
3、malloc申請空間時，需要手動計算空間大小并傳遞，new只需在其后跟上空間的類型即可。
4、malloc的返回值是void*，在使用時必須強轉(zhuǎn)，new不需要，因為new后跟的是空間的類型。
5、malloc申請失敗時，返回的是NULL，因此使用時必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常。
6、申請自定義類型對象時，malloc/free只會開辟空間，不會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，而new在申請空間后會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對象的初始化，delete在釋放空間前會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理。

內(nèi)存泄漏什么是內(nèi)存泄漏，內(nèi)存泄漏的危害？

內(nèi)存泄漏：

內(nèi)存泄漏是指因為疏忽或錯誤造成程序未能釋放已經(jīng)不再使用的內(nèi)存的情況。內(nèi)存泄漏并不是指內(nèi)存在物理上的消失，而是應用程序分配某段內(nèi)存后，因為設(shè)計錯誤，失去了對該段內(nèi)存的控制，因而造成了內(nèi)存的浪費。

內(nèi)存泄漏的危害：

長期運行的程序出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，影響很大，如操作系統(tǒng)、后臺服務(wù)等等，出現(xiàn)內(nèi)存泄漏會導致響應越來越慢，最終卡死。

void MemoryLeaks()
{
	// 1.內(nèi)存申請了忘記釋放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.異常安全問題
	int* p3 = new int[10];
	Func(); // 這里Func函數(shù)拋異常導致 delete[] p3未執(zhí)行，p3沒被釋放.
	delete[] p3;
}

內(nèi)存泄漏分類？

在C/C++中我們一般關(guān)心兩種方面的內(nèi)存泄漏：
1、堆內(nèi)存泄漏(Heap Leak)

堆內(nèi)存指的是程序執(zhí)行中通過malloc、calloc、realloc、new等從堆中分配的一塊內(nèi)存，用完后必須通過調(diào)用相應的free或者delete釋放。假設(shè)程序的設(shè)計錯誤導致這部分內(nèi)容沒有被釋放，那么以后這部分空間將無法再被使用，就會產(chǎn)生Heap
Leak。

2、系統(tǒng)資源泄漏

指程序使用系統(tǒng)分配的資源，比方套接字、文件描述符、管道等沒有使用對應的函數(shù)釋放掉，導致系統(tǒng)資源的浪費，嚴重可導致系統(tǒng)效能減少，系統(tǒng)執(zhí)行不穩(wěn)定。

如何避免內(nèi)存泄漏？

1、工程前期良好的設(shè)計規(guī)范，養(yǎng)成良好的編碼規(guī)范，申請的內(nèi)存空間記住匹配的去釋放。
2、采用RALL思想或者智能指針來管理資源。
3、有些公司內(nèi)部規(guī)范使用內(nèi)部實現(xiàn)的私有內(nèi)存管理庫，該庫自帶內(nèi)存泄漏檢測的功能選項。
4、出問題了使用內(nèi)存泄漏工具檢測。

內(nèi)存泄漏非常常見，解決方案分為兩種：
1、事前預防型。如智能指針等。
2、事后查錯型。如泄漏檢測工具。

如何一次在堆上申請4G的內(nèi)存？

在堆上申請4G的內(nèi)存：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//0xffffffff轉(zhuǎn)換為十進制就是4G
	void* p = malloc(0xfffffffful);
	cout << p << endl;

	return 0;
}

在32位的平臺下，內(nèi)存大小為4G，但是堆只占了其中的2G左右，所以我們不可能在32位的平臺下，一次性在堆上申請4G的內(nèi)存。這時我們可以將編譯器上的win32改為x64，即64位平臺，這樣我們便可以一次性在堆上申請4G的內(nèi)存了。

在這里插入圖片描述