C++动态内存管理（C语言/C++的动态内存分配方式，new 和delete重载，实现原理， 定位new表达式，malloc/free和new/delete联系和区别）

C++动态内存管理

首先了解C语言C++内存区域划分

1、内核空间：用户代码不能读写
2、栈区：非静态局部变量/函数参数/返回值（向下增长）
3、内存映射段：高效的IO映射方式，用于装载一个共享的动态内存库，用户可使用系统结构创建共享内存，做进程间通信
4、堆区：程序运行时动态内存分配
5、数据段：存储全局数据和静态数据
6、代码段：可执行代码/只读常量

1、C语言动态内存管理方式

C语言用malloc calloc realloc函数开辟动态内存空间，用free函数释放内存空间

malloc开辟size个大小的内存空间
calloc开辟num个size大小的内存空间
realloc在*ptr后面开辟size个大小的内存空间

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//malloc开辟size个大小的内存空间
//calloc开辟num个size大小的内存空间
//realloc在*ptr后面开辟size个大小的内存空间
int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)* 10);
	free(p3);
	system("pause");
	return 0;
}

2、C++动态内存管理方式

C++中用new和delete操作符进行动态内存管理

注：
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[]

#include <iostream>

using namespace std;

//在C++中通过new和delete操作符进行动态内存管理

//注：
//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[]
void Test()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int *ptr1 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int *ptr2 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int *ptr3 = new int[10];

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
}

int main()
{
	

	system("pause");
	return 0;
}

3、new和delete操作自定义类型

在申请自定义类似空间的时候，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会调用

#include <iostream>

using namespace std;

//new和delete操作自定义类型
class Test
{
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
		cout << "Test()" << endl;
	}

	~Test()
	{
		cout << "~Test()" << endl;
	}
private:
	int _data;
};

void Test1()
{
	Test *p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);

	Test *p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10);
	free(p2);
}

void Test2()
{
	Test *p3 = new Test;
	delete p3;

	Test *p4 = new Test[10];
	delete[] p4;
}
//在申请自定义类似空间的时候，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会调用
int main()
{
	Test1();
	Test2();
	system("pause");
	return 0;
}

4、new和delete重载

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在底层调用operator delete全局函数来释放空间

operator new通过调用malloc来申请空间，当malloc申请空间的成功时直接返回；
申请空间失败尝试执行空间不足的应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛出异常
operator delete最后是通过free来释放空间的

#include <iostream>

using namespace std;

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
			//申请失败，抛出bad_alloc异常
			static const bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	}
	return (p);
}

//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);
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
	__END_TRY_FINALLY

		return;
}

int main()
{

	system("pause");
	return 0;
}

5、operator new和operator delete的类的专属重载

#include <iostream>

using namespace std;

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;
	system("pause");
	return 0;
}

6、new和delete的实现原理

内置类型

申请内置类型的空间，new和malloc，realloc， calloc基本类似，delete和free基本类似
new/delete申请和释放的是单个空间，new[]和delete[]申请和释放的是连续空间
new申请空间失败时会抛出异常，而malloc是返回NULL

自定义类型

new原理

1、调用operator new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[]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、在申请的空间上进行N次构造函数

delete[]原理

1、在释放对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
2、调用operator delete[]函数释放资源，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

7、定位new表达式定位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

定位new表达式是指在已经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(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

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
若是自定义类型的对象，需要使用new的定位表达式进行显示调用构造函数进行初始化

#include <iostream>

using namespace std;

class Test
{
public:
	Test(int data)
		:_data(data)
	{
		cout << "Test()" << endl;
	}

	~Test()
	{
		cout << "~Test()" << endl;
	}

private:
	int _data;
};

void Test1()
{
	//ptr目前只是与Test相同大小的一块空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	Test* ptr = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	//若是Test类的构造函数有参数，此处需要传参
	new(ptr) Test(10);
}

int main()
{
	Test1();
	system("pause");
	return 0;
}

8、设计只在堆上创建对象的类

将类的构造函数私有，拷贝构造声明私有，防止别调用拷贝在栈上生成对象
提供一个静态成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建

#include <iostream>

using namespace std;

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreatObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}

private:
	HeapOnly()
	{

	}

	//C++98
	//拷贝构造函数在栈上创建对象
	//HeapOnly(const HeapOnly& heaponly)
	//{

	//}

	//C++11
	HeapOnly(const HeapOnly& heaponly) = delete;
};

int main()
{

	system("pause");
	return 0;
}

9、设计只在栈上创建对象的类

方法一：

在堆和栈上创建对象都会调用构造函数，因此，先将构造函数私有化
创建一个static函数完成栈对象的创建

方法二：

屏蔽掉new和new定位表达式

#include <iostream>

using namespace std;

//在堆和栈上创建对象都会调用构造函数，因此，先将构造函数私有化
//创建一个static函数完成栈对象的创建

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreatObject()
	{
		return StackOnly();
	}

private:
	StackOnly()
	{

	}

};

//方法二屏蔽掉new和new定位表达式
class StackOnly
{
public:
	StackOnly()
	{

	}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};

int main()
{

	system("pause");
	return 0;
}

10、内存泄漏

内存泄漏及危害

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情况。内存泄漏并非物理上的消失，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，会导致程序响应变慢，最终卡死

内存泄漏的分类

堆内存泄漏
主要是指malloc calloc realloc new出来的一块内存没有free或者delete
系统资源泄漏
主要是指套接字，文件描述符，管道没有使用对应的函数释放导致系统资源泄漏，会导致系统效能降低，系统不稳定

规避内存泄漏

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
2、采用RAII思想或者智能指针来管理资源
3、使用内存泄漏工具检测

#include <iostream>

using namespace std;

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();//这里的Func函数抛出异常，导致delete[] p3未执行，导致内存泄漏

	delete[] p3;
}

int main()
{

	system("pause");
	return 0;
}

11、malloc/free和new/delete的联系和区别

联系：

1、malloc/free和new和delete的共同点是：都是在堆上申请空间，且需要手动释放

区别：

1、malloc/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，new不需要，new后面跟的就是类型
4、malloc的返回值为void*，在使用的时候必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
5、malloc申请空间失败返回NULL，需要判空，new会捕获异常
6、申请自定义类型的时候，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，而new和delete申请空间后会调构造初始化，在delete之前会调用析构函数完成空间资源的清理