Cpp-内存管理

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title: 内存管理
date: 2019-03-18 16:34:34
tags: Cpp
categories: Cpp
toc: true

C/C++ 内存分布

**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：**程序运行过程中动态分配，向上生长。

**数据段：**全局数据、静态数据。

**代码段：**只读常量、可执行代码。

C 内存管理方式

malloc/calloc/realloc 和 free

void Test () {
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
    free(p1);
    // malloc/calloc/realloc的区别是什么?
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int)); 
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
    // 这里需要free(p2)吗?
    free(p3);
}

⚠️ 这里不能free(p2)，因为 realloc 在申请内存时可能会改变存储的地址，这里只需要 free p3 就行。

C++ 内存管理方式

new & delete

对于内置类型

int *p_a = new int;
int *p_b = new int(233);
int *p_arr = new int[10];

delete p_a;
delete p_b;
delete[] p_arr;

对于自定义类型

class Student
{ ... };

Student *ps1 = new Student;
Student *ps2 = new Student[10];

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。

operator new & operator delete

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 实际也是通过 malloc 来申请空间，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应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

operator new

/*
operator new:
	该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回;
	申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则执行，否则抛异常。
*/
void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
  // try to allocate size bytes
  void *p;
  while ((p = malloc(size)) == 0)
    if (_callnewh(size) == 0)
    {
      // report no memory
      // 如果申请内存失败了，这里会抛出 bad_alloc 类型异常 
      static const std::bad_alloc nomem;
      _RAISE(nomem);
    }
  return (p); 
}

operator delete

/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的 */
void operator delete(void *pUserData)
{
  _CrtMemBlockHeader * pHead;
  RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
  if (pUserData == NULL)
  	return;
  _mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */
  __TRY
    /* get a pointer to memory block header */
    pHead = pHdr(pUserData);
    /* verify block type */
    _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
    _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );	// 释放空间，调用 _free_dbg
  __FINALLY
    _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
  __END_TRY_FINALLY
  return;
}

/*
	free
*/
#define free(p)		_free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

? 重载类专属 operator new/ operator delete

针对链表的节点 ListNode 通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。

struct ListNode
{
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;
    void* operator new(size_t n)
    {
        void* p = nullptr;
        p = allocator<ListNode>().allocate(1);
        cout << "memory pool allocate" << endl;
        return p;
    }
    void operator delete(void* p)
    {
        allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
        cout << "memory pool deallocate" << endl;
		} 
};

class List
{
public:
    List()
    {
            _head = new ListNode;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
    }
    ~List() 
    {
            ListNode* cur = _head->_next;
            while (cur != _head)
            {
                ListNode* next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = next;
            }
            delete _head;
            _head = nullptr;
    }
private:
    ListNode* _head;
};
int main()
{
    List l;
    return 0;
}

new 和 delete 的实现原理

内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new 和 malloc，delete 和 free 基本类似。

不同的地方是：new/delete 申请和释放的是单个元素的空间，new[] 和 delete[] 申请的是连续空间，而且 new 在申请空间失败时会抛异常，malloc 会返回 NULL 。

自定义类型

• new
  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
  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]
  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[]
  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

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。

用法：

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

Date* pd = (Date*)malloc(sizeof(Date));
// 此时的 pd 指向的空间只是一个大小和 Date 对象一样的空间，并不能算是一个对象，构造函数还没有执行
new(pd)Date(1939,2,3);

内存泄露

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