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C/C++内存管理

阿猿收手吧！ 2024-06-17 10:26:05
简介C/C++内存管理

文章目录


【本节目标】

  1. C/C++内存分布
  2. C语言中动态内存管理方式
  3. C++中动态内存管理
  4. operator new与operator delete函数
  5. new和delete的实现原理
  6. 定位new表达式(placement-new)
  7. 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：
在这里插入图片描述

更清晰的认识一下

在这里插入图片描述

1.2区域划分

  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。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。
  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。
  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。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：

  1. 从堆上申请空间
  2. 需要用户手动释放
    不同：
  3. malloc和free是函数，new和delete是操作符
  4. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  5. 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。
  6. 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
  7. 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
  8. 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

  1. 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。
  2. 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

  1. 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。
  2. 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

  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。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。
  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. 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:
在这里插入图片描述

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;
}

在这里插入图片描述

6.new和delete的实现原理

6.1内置类型:

  1. 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
  2. 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:

  1. 调用operator new函数申请空间
  2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

  1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  2. 调用operator delete函数释放对象的空间

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
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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