C/C++ 内存管理（malloc/calloc/realloc、free 和 new 、 delete区别；内存泄漏）


C/C++内存分布

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
//globalVar和staticGlobalVar是在main函数之前初始化，在哪都能用，作用域是全局的
/*区别：它俩的链接属性不一样，globalVar是所有文件可见，staticGlobalVar只在当前文件可见*/
void Test()
{
 static int staticVar = 1; //运行到这里才初始化，它的作用域在Test函数中，只能在Test函数中使用
 int localVar = 1;
 
 int num1[10] = {1, 2, 3, 4};
 char char2[] = "abcd";   //一个栈上的数组
 char* pChar3 = "abcd";
 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof (int)*4);
 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int)*4);
 free (ptr1);
 free (ptr3);
}

globalVar在哪里？数据段
staticGlobalVar在哪里？数据段
staticVar在哪里？数据段
localVar在哪里？栈
num1 在哪里？栈__

char2在哪里？栈
*char2在哪里？栈_
pChar3在哪里？栈__
*pChar3在哪里？代码段
ptr1在哪里？栈 *ptr1在哪里？_ 堆__

sizeof(num1) = 40;
sizeof(char2) = 5;
strlen(char2) = __4;
sizeof(pChar3) = 4/8;
strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4/8;
在这里插入图片描述

  • 栈（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：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  • 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。

C语言中动态内存管理方式

malloc / calloc / realloc 和 free
malloc：申请空间；
calloc：申请空间并初始化为0；
realloc：对原来已经有的空间进行扩容。

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，但有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦，因此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。

new / delete操作内置类型

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[]

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
void Test()
{
 // 动态申请一个int类型的空间
 int* ptr4 = new int;
 
 // 动态申请一个int类型的空间并初始化为3
 int* ptr5 = new int(3);
 
 // 动态申请3个int类型的空间
 int* ptr6 = new int[3];
 
 delete ptr4;
 delete ptr5;
 delete[] ptr6; }

在这里插入图片描述

new和delete操作自定义类型

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 和 free不会。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
class Test
{
public:
 Test()
 : _data(0)
 {
 cout<<"Test():"<<this<<endl;
 }
 ~Test()
 {
 cout<<"~Test():"<<this<<endl;
 }
 
private:
 int _data;
};
void Test2()
{
 // 申请单个Test类型的空间
 Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
 free(p1);
 
 // 申请10个Test类型的空间
 Test* p2 = (Test*)malloc(sizoef(Test) * 10);
 free(p2);
}

void Test2()
{
 // 申请单个Test类型的对象
 Test* p1 = new Test;
 delete p1;
 
 // 申请10个Test类型的对象
 Test* p2 = new Test[10];
 delete[] p2;
 }

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；
  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。

malloc、operator new 和 new 的区别：
malloc
operator new --> malloc+失败抛异常实现
new - - > operator new + 构造函数
new 比起malloc不一样的地方：1、调用构造函数初始化 2、失败了抛异常
delete 比如free不一样的地方：1、调用析构函数清理
operator free 和 free没区别，因为释放空间失败直接终止进程。 是因为要跟operator new成对出现才产生。

new和delete的实现原理

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

内存泄露

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。

内存泄露的危害：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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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;
 }

内存泄露的分类：

  • 堆内存泄露：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，就会产生内存泄露。
  • 系统资源泄露：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。

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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
#include <iostream>
using namespace std;

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

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

int main()
{
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));

    // operator new和malloc的区别是什么？
    // 结论:使用方式都一样，处理错误的方式不一样
    size_t size = 2;
    void* p4 = malloc(size*1024*1024*1024);
    cout << p4 << endl; // 失败返回0
    //free(p4);

    try
    {
        void* p5 = operator new(size * 1024 * 1024 * 1024);
        cout << p5 << endl; // 失败抛异常  （面向对象处理错的方式）
        //operator delete(p5);
    }
    catch (exception& e)
    {
        cout << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
struct ListNode
{
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;

    void* operator new(size_t n)
    {
        void* p = nullptr;
        p = allocator<ListNode>().allocate(1); // 内存池
        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; // 全局operator new + 构造函数
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
    }

    // void PushBack(int val);

    ~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;
}