C++内存管理详解
C++内存管理详解
C++内存管理是C++编程中的重要知识点，本文将从语言层面讲解C++代码所对应的内存管理。本文不会涉及操作系统层面的理解，而是从宏观的语言层面分析C++中的内存管理，或者说是在CPU运行C++的可执行程序的角度来了解C++内存管理。
一、C/C++内存分布
我们先来看下面的一段代码和相关问题：
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
static int staticVar = 1;
int localVar = 1;
int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
char char2[] = "abcd";
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);
}
其中上面代码在内存中对应的区域是(如下图)：
【说明】
- 栈：又叫堆栈，用于存储非静态局部变量/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。
顺便提一下：为什么说栈是向下增长的，而堆是向上增长的？
简单来说，在一般情况下，在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低。这样就可以避免在两个空间段相邻时，某个空间段的空间不足，无法向外扩充空间的问题。
我们验证一下栈、堆空间的地址是否按照上面我们的规律来创建。
因为在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，所以打印出来a的地址大于b的地址；在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低，所以c指向的空间地址小于d指向的空间地址。
注意：在堆区开辟空间，后开辟的空间地址不一定比先开辟的空间地址高。因为在堆区，后开辟的空间也有可能位于前面某一被释放的空间位置。
二、C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free
这里不多说，C语言的动态开辟内存函数，在堆中开辟的函数都是很纯粹的开辟空间，但也只是开辟空间，其他动作是一个没有。具体可以看不才写的：【C语言】动态内存开辟
三、C++中动态内存管理方式
首先，C语言内存管理的方式在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，比如类对象在堆中的动态内存开辟，需要malloc创建空间后，又需要我们程序猿手动进行构造构造函数的封装。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。
3.1、new/delete操作内置类型
一、动态申请单个某类型的空间
//动态申请单个int类型的空间
int* p1 = new int; //申请
delete p1; //销毁
在开辟空间上的作用等价于：
//动态申请单个int类型的空间
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
free(p2); //销毁
二、动态申请多个某类型的空间
//动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[10]; //申请
delete[] p3; //销毁
在开辟空间上的作用等价于：
//动态申请10个int类型的空间
int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
free(p4); //销毁
三、动态申请单个某类型的空间并初始化
//动态申请单个int类型的空间并初始化为10
int* p5 = new int(10); //申请 + 赋值
delete p5; //销毁
在开辟空间上的作用等价于：
//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
*p6 = 10; //赋值
free(p6); //销毁
四、动态申请多个某类型的空间并初始化
//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申请 + 赋值
delete[] p7; //销毁
在开辟空间上的作用等价于：
//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
for (int i = 0; i < 10; i++) //赋值
{
p8[i] = i;
}
free(p8); //销毁
如下图总结：
注意：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[ ]。
3.2、new和delete操作自定义类型
为了更好的理解new和delete在C++中的特性，我们创建一个自定义类型来演示。
class Test
{
public:
Test() //默认构造函数
:_a(0)
{
cout << "默认构造函数" << endl;
}
Test(int a) //构造函数
:_a(a)
{
cout << "普通构造函数" << endl;
}
~Test() //析构函数
{
cout << "析构函数" << endl;
}
private:
int _a;
};
一、动态申请单个类对象的空间
用new和delete操作符：
Test* p1 = new Test; //申请
delete p1; //销毁
用malloc和free函数：
Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)); //申请
free(p2); //销毁
注意：在申请自定义类型的空间时，new会自动调用构造函数，delete会自动调用析构函数，而malloc和free不会。
在上面的新和delete代码段中，new调用的是默认构造函数，其性质和在堆中创建临时对象是一致的，如：
Test p1;
在p1后面不用加上()。
二、动态申请单个类对象的空间并且调用普通构造函数
int main() {
Test* p1 = new Test;
//动态申请单个int类型的空间
Test* p3 = new Test(10); //申请
delete p1; //销毁
return 0;
}
运行结果如下图：
在上述代码段中，我们使用C语言编写就非常麻烦，因为C语言想要达到new的动作，就需要封装，把动态开辟和初始化工作封装在一个函数中才能实现。
三、动态申请多个类的空间
用new和delete操作符：
Test* p3 = new Test[10]; //申请
delete[] p3; //销毁
调用的是默认构造，如下图：
四、C++11的{}语法特性：动态申请多个类的空间并且调用指定构造函数
int main() {
//动态申请单个int类型的空间
Test* p3 = new Test[2]{ { 10 }, { 2 } }; //申请
delete[] p3; //销毁
return 0;
}
如下图：
这时C++11的语法特性，需要注意的是在老的编译器中是无法运行的。我们知道在C++中单参数构造函数默认支持隐式类型转换，此时C++11使用{}把多种的参数列表汇聚成为一份形成隐式构造函数。所以通过C++11的语法特性，我们就可以完成：动态申请多个类的空间并且调用指定构造函数。更多细节请跳转不才编写的文章：【C++】构造函数与析构函数
总结一下：
- C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
- 如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
- 建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。（其实熟悉特性后一切都是你自由发挥，不过就是工作量大与小的区别了…😆）
3.3、operator new和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，那在上面提到new和delete的使用中为什么new和delete可以为任何类型开辟空间？
那是因为在C++的底层中为我们重载了new。即operator new和operator delete是系统提供的全局函数，new和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。
int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申请
operator delete(p1); //销毁
其作用等价于:
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
free(p2); //销毁
画个内存草图。下图可以详细地看new和operator new在底层中的关系。
实际上，operator new的底层是通过调用malloc函数来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回；若申请空间失败，直接抛异常，如果该应对措施用户设置了，则尝试执行空间不足的应对措施，否则逐层抛异常直到程序初始入口中接收异常并终止程序(不才在异常处理机制中会深度解剖)。
而operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的。
在上图中我们也知道了new和delete为什么可以在动态开辟空间时候调用类的构造函数。
注意：虽然说operator new和operator delete是系统提供的全局函数，但是我们也可以针对某个类，重载其专属的operator new和operator delete函数，进而提高效率。
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/delete和malloc/free基本类似，不同的是，new/delete申请释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete [ ]申请释放的是连续的空间，此外，malloc申请失败会返回NULL，而new申请失败会抛异常。
4.2、自定义类型
new的原理
- 调用operator new函数申请空间。
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。
delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作。
- 调用operator delete函数释放对象的空间。
new T[N]的原理
- 调用operator new[ ]函数，在operator new[ ]函数中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请。
- 在申请的空间上执行N次构造函数。
delete[ ] 的原理
- 在空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理。
- 调用operator delete[ ]函数，在operator delete[ ]函数中实际调用operator delete函数完成N个对象空间的释放。
五、定位new和表达式(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。
使用格式：
new(place_address)type
或者
new(place_address)type(initializer-list)
其中place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表。
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，即在线程池开辟内存中，线程池是不知道需要开辟的空间大小，需要调用者手动进行传输。
所以如果是自定义类型的对象，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0) //构造函数
:_a(a)
{}
~A() //析构函数
{}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
//new(place_address)type 形式
new(p1)A;//默认构造
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
//new(place_address)type(initializer-list) 形式
new(p2)A(2021);//显示构造
//析构函数也可以显示调用
p1->~A();
p2->~A();
return 0;
}
注意：在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。
六、常见的问题
6.1、malloc/free和new/delete的区别？
在内存中：
都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
在使用上：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符。
- malloc申请的空间不会初始化，new申请的空间会初始化。
- 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。
- malloc的返回值是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。
- malloc申请失败时，返回的是NULL，在使用时必须判断空，new失败直接抛异常，需要使用try_catch捕获异常。
- 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，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。
6.2、内存泄漏分类
在C/C++中我们一般关心两种方面的内存泄漏：
1、堆内存泄漏(Heap Leak)
堆内存指的是程序执行中通过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或者delete释放。假设程序的设计错误导致这部分内容没有被释放，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
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。
如何避免内存泄漏？
- 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记住匹配的去释放。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库，该库自带内存泄漏检测的功能选项。
- 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：
- 事前预防型。如智能指针等。
- 事后查错型。如泄漏检测工具。
6.3、如何一次在堆上申请4G的内存？
在堆上申请4G的内存：
0xffffffff转换为十进制就是4G
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
//0xffffffff转换为十进制就是4G
void* p = malloc(0xfffffffful);
cout << p << endl;
return 0;
}
需要注意的是，我们需要在X64的环境下运行，因为在X32环境下，内存的大小只有4G，在堆中是不可能创建4G的。因为中有20%是系统资源，用户是无法使用的。
本文原文来自CSDN