C++【内存管理】

C++内存管理

一、C/C++内存分布

1.1.C/C++内存区域划分图解：

• 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。
• 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，堆是可以上增长的。
• 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

1.2.根据代码进行内存区域分析

如下代码指明下面变量属于哪个内存区域：

int  a= 1;
static int  b= 1;
void Test()
{
    
    
static int c = 1;
int d= 1;
int e[]= {
    
     1, 2, 3, 4 };
char f[] = "abcd";
const char* g = "abcd";
int* h = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
free(h);

}

a属于数据段即静态区
b是全局静态变量也在静态区
c是局部静态变量也在静态区
d是一个普通局部变量在栈区
e是数组名也是在栈区
f是和e一样，唯一区别是它是通过初始化确定大小，也在栈区
*f是数组名首元素地址并进行解引用指第一个元素，因为它是在栈上开一个数组，并把常量区的内容拷贝到栈上，所以也是在栈上
g是指针变量，局部变量在栈区
*g，指针并解引用表示指向的内容在常量区
h是一个指针变量，局部变量在栈区
*h，指针并解引用指向的空间的内容，又因为它是在堆上开的，所以在堆区

二、C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但是使用起来比较麻烦，所以C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

2.1.new/delete操作内置类型

void Test()
{
    
    
 
 int* a= new int;// 动态申请一个int类型的空间
 int* b = new int(10); // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
 int* b= new int[10]; // 动态申请10个int类型的空间
 delete a;
 delete b;
 delete[] c;
}

int 表示类型，10表示初始化，10表示对象个数，new，delete，delete[]，表示操作符。
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[]，注意：匹配起来使用。否则结果是不确定的。

2.2.new和delete操作自定义类型

class func
{
    
    
public:
     func(int a = 0)
       : _a(a)
     {
    
    
         cout << "func():" << this << endl;
     }
      ~func()
    {
    
    
       cout << "~func():" << this << endl;
    }
private:
       int _a;
};
int main()
{
    
    
    
     func* a= (func*)malloc(sizeof(func));
     func*b = new func(1);
     free(a);
     delete b;
     
     int* c = (int*)malloc(sizeof(int)); 
     int* d = new int;
     free(c);
     delete d;
     
     func* e = (func*)malloc(sizeof(A)*10);
     func* f = new func[10];
     free(e);
     delete[] f;
     eturn 0;
}

new/delete 和 malloc/free最大区别是,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。

三、operator new与operator delete函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，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。new，delete本质上是malloc，free的封装，保证了C++的机制，符合面向对象编程。
operator new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，则继续申请，否则抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

四、new和delete的实现原理

4.1.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。

4.2.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

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

• new N[n]的原理

5. 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
6. 在申请的空间上执行N次构造函数

• delete[]的原理

8. 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
9. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释
   放空间。

new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数

4.3.new和free不匹配使用造成的问题

class A
{
    
    
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
    
    
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
    
    
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

	int* p7 = new int[10];
	free(p7);  // 正常释放

不会报错，不会有内存泄漏，对于内置类型没有构造函数，析构函数，如果delete也是调用operator delete，它也是调用free，和直接free没有太大的区别，只是多了一些检查的一些问题。

class A
{
    
    
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
    
    
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
    
    
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
A* p8 = new A;
free(p8); 
//delete p8;

不会报错也不会有内存泄漏（假设析构函数没有资源释放），这里没有调用析构函数，会不会出现问题，要看情况，如果析构里面有资源的释放和清理会有，反之则没问题不大，但是如果有资源释放但没有调用，C++也不会告诉我们内存泄漏，也不会显示报错。另外局部变量被销毁，但是指向的空间在堆上需要我们手动释放。

class Stack
{
    
    
public:
	Stack()
	{
    
    
		cout << "Stack()" << endl;
	_a = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}

	~Stack()
	{
    
    
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
int main()
{
    
    
       stack st；
       stack* ps=new Stack；
       delete pst；
       //free(pst);
}

stack st，st是一个自定义类型，是一个局部变量，不需要手动释放，默认调用构造，出了作用域调用析构函数。
stack* ps=new Stack，ps它是一个指针，是一个内置类型，不会调用那两个函数，这个需要手动释放。
为何要手动释放深层分析：
st是一个对象在栈上，里面的a它指向一块空间在堆上。
pst是一个指针也在栈上，new的时候在堆上开空间，它指向一个对象，12个字节，里面的_a指向的空间也在堆上。
stack st出了作用域调用析构函数，把堆上的带走。
delete pst，两块空间需要释放，第一步先调用析构函数，把第二块_a指向的空间释放掉，把析构里面资源先清理，第二步调用operator delete ，把对象释放掉，如果写成free(pst)也不会报错，但是少调用了一次析构函数，把对象释放掉，_a指向的空间没人用，导致内存泄漏。

class A
{
    
    
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
    
    
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
    
    
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

  /	A* p9 = new A[10];
//	//free(p9);会报错
//	//delete p9;也会报错
delete[] p9

调用10次析构函数，怎么知道是10次的，因为开空间的时候会在头前面多开4个字节存放个数，给delete用，申请的时候p9的位置是在这个空间的前面，但是在返回的时候它的位置是在这个空间的后面，如果去free指针的位置不对，而用delete p9也不对，只调用了一次析构，少调了9次，而delete[] p9,会用这个位置的地址往前减4个字节，就知道这个空间是多少个对象，知道调用了多少次析构，释放的时候把这个指针往前偏四个字节。
如果把析构屏蔽，用delete p9就不会崩溃。它就不会多开那四个字节，不会报错。

五、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。
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，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。

class A
{
    
    
public:
          A(int a = 0)
          : _a(a)
         {
    
    
             cout << "A():" << this << endl;
         }
         ~A()
         {
    
    
             cout << "~A():" << this << endl;
         }
private:
      int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
    
    
// 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，因为构造函数没
//有执行
         A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
         	if (p1 == nullptr)
          {
    
    
		       perror("malloc fail");
	      }
         new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
         new(p1)A(1);//对已有空间初始化
         p1->~A()；//调用析构函数
         free(p1);
        return 0;
}

如果是为初始化，用malloc，定位new，不如直接new，但是1有一类场景是需要这个的
有时候我们申请的内存直接去new是直接找操作系统要，但有些地方为了提高性能，在这地方从内存池去申请，从操作系统上的堆去申请会慢一些，如果这有一快频繁申请的内存，想要一个快一点的机制，可以找个内存池，申请内存就去找这个内存池，也是来自堆，会让来回的消耗变小。减少了交互。找一个离自己更近，更方便的地方来提高效率。

六、malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地方是：

1. malloc和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并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
4. 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
5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，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

七、内存泄漏

7.1.内存泄漏概念危害

什么是内存泄漏：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的情况。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。
内存泄漏的危害：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。

7.2.内存泄漏分类

C/C++程序中一般关心两种方面的内存泄漏：
堆内存泄漏：
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过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或者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：
指程序使用系统分配的资源，比方套接字、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。

7.3.如何检测内存泄漏

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{
    
    
int* p = new int[10];
// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
_CrtDumpMemoryLeaks();
return 0;
}
// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置

所以写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。可以在网上搜，在linux下内存泄漏检测工具，在windows下使用第三方工具。

7.4.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。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条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. 出问题了使用内存泄漏工具检测。
   内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。