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C/C++内存管理
简介C/C++内存管理
文章目录
【本节目标】
- C/C++内存分布
- C语言中动态内存管理方式
- C++中动态内存管理
- operator new与operator delete函数
- new和delete的实现原理
- 定位new表达式(placement-new)
- 常见面试题
1.C/C++内存分布
1.题目引入
在了解这部分内容之前，先来看一下下面的题目：
更清晰的认识一下
1.2区域划分
- 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。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，拥有很高的效率，但是分配的内存容量是有限的。
- 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，堆是向上增长的。一般由程序员自主分配释放，若程序员不主动不释放，程序结束时可能由操作系统回收。其分配方式类似于链表。
- 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。代码段存放类成员函数和全局函数的二进制代码。
2.C内存管理
在C语言中的 动态内存管理 我们详细讲解了这部分内容。
#include<stdlib.h。
void* malloc(size_t size);
int* p = (int*)malloc(40);
void* calloc(size_t num,size_t size);
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
void* realloc(void* ptr,size_t size);
int* p = (int*)realloc(ptr, sizeof(int)*10);
3.C++内存管理
1.new–delete的初步认识
#include<iostream>
using namespace std;
void Test()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
//申请5个int的数组
int* p3 = new int[5];
//申请1个int对象 初始化为5
int* p4 = new int(5);
//C++11支持
int* p5 = new int[5] {1,2,3};
//C
free(p1);
//C++
delete p2;
delete[] p3;
delete p4;
delete[] p5;
//针对内置类型 new/delete--malloc/free
//只有用法区别 无本质区别 只是用法简化
}
int mian()
{
Test();
return 0;
}
2.初始化
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//C
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
if (p1 == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//释放空间
free(p1);
//C++
//1.堆上申请空间
//2.调用构造函数初始化
A* p2 = new A(10);//调用构造--没有合适的会报错
//1.调用析构函数清理资源
//2.释放空间
delete p2;
// new/delete视为1自定义类型准备的
//不仅在堆开空间而且调用构造和函数
A* p3 = new A[2]{ 1,2 };
A* p4 = new A[2]{A(1),A(2)};
delete[] p3;
delete[] p4;
//new/delete--new[]/delete[]
//要匹配使用 否则可能出错
return 0;
}
3.开辟空间失败
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//失败返回NULL
//char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u * 2 - 1);
//cout << p1 << endl;乱码--未初始化的字符串
//printf("%p", p1);
//new失败抛出异常:不需要检查返回值
try
{
char* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024 * 2 - 1];
printf("%p", p2);
//size_t n = 0;
//while (1)
//{
// char* p2 = new char[1024*1024];//1G
// ++n;
// printf("%p->[%d]
", p2,n);
//}
}
catch(const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
4.new–delete的类专属重载
① operator new 实际上是通过 malloc 来申请空间的。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的应对措施，如果用户提供了措施就继续申请，否则就抛异常。
② operator delete 最终也是通过 free 来释放空间的。
链表演示C–C++
1.C语言
struct ListNode {
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _val;
};
int main(void)
{
struct ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
if (n1 == NULL) {
printf("malloc failed!
");
exit(-1);
}
n1->_next = NULL;
n1->_prev = NULL;
n1->_val = 0;
return 0;
}
2.C++
struct ListNode {
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _val;
/* 构造函数*/
ListNode(int val)
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val) {}
};
int main(void)
{
ListNode* n2 = new ListNode(0);
return 0;
}
栈Stack演示
#include <iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:
Stack(int capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new int[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
// ...
private:
int* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
int main(void)
{
Stack st;
Stack* pst2 = new Stack; // 开空间 + 构造函数初始化
delete pst2; // 析构函数（清理对象中资源）+ 释放空间
return 0;
}
内存池演示
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
// 实现一个类专属的operator new
struct ListNode
{
//共有成员变量
int _val;
ListNode* _next;
//内存池---类内声明
static allocator<ListNode> alloc;
void* operator new(size_t n)
{
cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;
void* obj = alloc.allocate(1);
return obj;
}
void operator delete(void* ptr)
{
cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;
alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
}
//成员函数：构造函数
struct ListNode(int val)
:_val(val)
, _next(nullptr)
{
}
};
//类外定义
allocator<ListNode> ListNode::alloc;
int main()
{
// 频繁申请ListNode -- 提高效率 -- 不用malloc--定制内存池
//类内有operator new就不在去库里面寻找--提高效率
ListNode* node1 = new ListNode(1);
ListNode* node2 = new ListNode(2);
ListNode* node3 = new ListNode(3);
delete node1;
delete node2;
delete node3;
return 0;
}
4.有关面试题
4.1malloc/free和new/delete的区别
malloc/free和new/delete的共同点：
- 从堆上申请空间
- 需要用户手动释放
不同： - 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，多个对象[]中指定对象个数。
- 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，使用时必须判空，new不需要，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.
4.2 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
- 内存泄漏：
因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存。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。
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;
}
4.3内存泄漏分类
- 堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存：程序执行中通过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。 - 系统资源泄漏
程序使用系统分配的资源，比如：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。
4.4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。如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要智能指针来管理才有保证。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 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。
- 使用内存泄漏工具检测。
总结：
内存泄漏解决方案：
1、事前预防型。如智能指针。
2、事后查错型。如泄漏检测工具。
5.定位new表达式
定义:
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 *ptr type
new *ptr 初始化列表
使用场景：
配合内存池：内存池分配出的内存没有初始化，对于自定义类型的对象，需要使用new的定位表达式进行显示调构造函数初始化。
代码演示:
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
此时构造函数没有执行
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
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; 如果A类的构造函数有参 此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
不带参定位new：
class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a) {
cout << "A(): " << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A(): " << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p)A;
return 0;
}
带参定位new：
class A {
public:
A(int a)
: _a(a) {
cout << "A(): " << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A(): " << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A(10);
return 0;
}
6.new和delete的实现原理
6.1内置类型:
- new/delete申请和释放的是单个元素的空间
new[]和delete[]申请和释放的是连续空间 - new申请空间失败时抛异常，malloc返回NULL。
6.2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
- 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
风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。
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