C++心决之内存管理(想要写出没有内存泄露问题的健全代码吗?这一篇你一定不能错过)

1. C/C++内存分布

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。

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.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 );
}

【面试题】 一. malloc/calloc/realloc 的区别？ 相同点：

• 1.都是从堆上申请空间
• 2.都需要对返回值判空
• 3.都需要用户free释放
• 4.返回值类型相同（void*）
• 5.都需要类型转化
• 6.底层实现上是一样的，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间

不同点：

• 1.函数名字不同和参数类型不同。
• 2.calloc会对申请空间初始化，并且初始化为0，而其他两个不会。
• 3.malloc申请的空间必须使用memset初始化
• 4.realloc是对已经存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL的时候和malloc一样

调整分为两种情况： a:调整的空间比原有空间大： 大了一点：多出来的空间小于小于下面空闲的空间； 做法：

• 1.直接延伸申请空间
• 2.返回原空间首地址

大了很多：多出来的空间，大于下面空闲空间 做法：

• 1.重新开辟新空间
• 2.将旧空间的内容拷贝到新空间中
• 3.释放旧空间
• 4.返回新空间的首地址

b.调整的空间比原有空间小： 做法：

• 1.异地缩容(释放原有空间,开辟新的空间)
• 2.原地缩容(以glibc 2.38的ptmalloc为例，对应的函数是__libc_realloc和_int_realloc。如果chunk来自于.data段，则交由_int_realloc，它将会缩容，执行裁剪逻辑，修改原chunk的mchunk_size，然后从原chunk中划分一个新的chunk，并交给_int_free释放。被释放的chunk将被放回对应的bins中等待再分配。)

二. malloc 的实现原理？ glibc 中 malloc实现原理 Glibc之malloc实现原理_为什么用g_malloc-CSDN博客

3. 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 。(主要是方便对自定义类型进行内存管理)

3.1 new/delete操作内置类型

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10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[10];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}

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[] ，注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
// 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
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
return 0;
}

注意：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 。

4. operator new与operator delete函数

4.1 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 在底层调用 operator delete 全局函数来释放空间。

/*
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，则继续申请，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: 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;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道， 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 。(初学者可以近似理解为operator new=malloc+抛异常, new=operator new+构造函数)

5. new和delete的实现原理

5.1 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 。

5.2 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

• 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

6. 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));
new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}

7. 常见面试题

7.1 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

7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

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。