【C/C++】——小白初步了解——内存管理
1. C/C++内存分布
一个典型的C/C++程序在内存中的布局如下：
- 代码区（Code Segment）：
- 存储程序的机器指令，由编译器生成。
- 该区域通常是只读的，以防止程序在运行时修改自身的指令。
- 代码区在程序加载时被操作系统加载到内存中。
- 数据区（Data Segment）：
- 存储全局变量和静态变量，包括已初始化和未初始化的变量。
- 数据区又分为两部分：
- 已初始化数据区（Initialized Data Segment）： 存储程序中已初始化的全局变量和静态变量。
- 未初始化数据区（Uninitialized Data Segment or BSS）： 存储未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时这些变量会被初始化为0。
- 堆区（Heap）：
- 用于动态内存分配，大小不固定，可以在程序运行时动态地增长或缩小。
- 由程序员手动管理内存的分配和释放。常用的函数有
malloc()和free()。 - 堆区的内存分配效率较低，但灵活性高。
- 栈区（Stack）：
- 用于函数调用时的临时存储，包括函数的局部变量、参数和返回地址。
- 栈区的内存由编译器自动分配和释放，具有后进先出的特点。
- 栈区内存分配效率高，但大小有限，通常由操作系统决定。
- 常量区（Constant Segment）：
- 存储常量数据，如字符串字面量和常量变量。
- 通常也是只读的，以保护常量数据不被修改。
2. C语言中动态内存管理方式
在C语言中，动态内存管理主要通过以下几个函数实现：
1.malloc(size_t size)：
功能：分配指定大小的字节，并返回一个指向这块内存的指针。
特点：分配的内存未初始化，内容是随机的。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
free(arr);
return 0;
}2.calloc(size_t nmemb, size_t size)：
功能：分配nmemb个元素，每个元素size字节，并初始化所有分配的字节为0。
特点：分配的内存被初始化为0，适合分配需要清零的数组。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *arr = (int *)calloc(10, sizeof(int));
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
free(arr);
return 0;
}3.*realloc(void ptr, size_t size)：
功能：调整之前分配的内存块的大小。
特点：如果新大小大于原大小，新分配的内存区域中的内容是不确定的；如果新大小小于原大小，超出的内容将被丢弃。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
arr[i] = i;
}
arr = (int *)realloc(arr, 10 * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
for (int i = 5; i < 10; i++) {
arr[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", arr[i]);
}
free(arr);
return 0;
}4.*free(void ptr)：
功能：释放之前分配的内存块，使其可以重新分配。
特点：释放后，指针ptr不再指向有效的内存区域，应该将ptr置为NULL以防止野指针错误。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
free(arr);
arr = NULL;
return 0;
}3. C++中动态内存管理
在C++中，动态内存管理不仅可以使用C语言的函数（如malloc、calloc等），还提供了更高级的 new 和 delete 运算符：
1.new：
功能：分配指定类型的内存，并调用该类型的构造函数。
示例代码：
#include <iostream>
int main() {
int *arr = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
std::cout << arr[i] << " ";
}
delete[] arr;
return 0;
}2.delete：
功能：释放用new分配的内存，并调用该类型的析构函数。
#include <iostream>
int main() {
int *arr = new int[10];
delete[] arr;
return 0;
}在C++中，使用 new 和 delete 操作符进行内存管理比使用C语言中的函数更方便，因为它们不仅分配和释放内存，还自动调用构造函数和析构函数，确保对象在创建和销毁时执行必要的初始化和清理工作。
4. operator new与operator delete函数
C++中，operator new 和 operator delete 是为对象分配和释放内存的函数。它们类似于 malloc 和 free，但有一些重要区别：
operator new：
功能：分配指定大小的内存，但不调用构造函数。
通常在类的new运算符中隐式调用。
#include <iostream>
void* operator new(size_t size) {
std::cout << "Custom new for size " << size << std::endl;
return malloc(size);
}
void operator delete(void* ptr) noexcept {
std::cout << "Custom delete" << std::endl;
free(ptr);
}
int main() {
int *p = new int(10);
delete p;
return 0;
}operator delete：
- 功能：释放用
operator new分配的内存，但不调用析构函数。 - 通常在类的delete运算符中隐式调用。
可以重载这两个函数以定制内存分配行为。例如，在需要跟踪内存分配和释放的场景中，可以重载 operator new 和 operator delete 以记录每次内存操作的日志。
5. new和delete的实现原理
new 和 delete 的实现可以分为两个步骤：
new：
- 调用
operator new分配内存。 - 在分配的内存上调用构造函数初始化对象。
delete：
- 在内存上调用析构函数销毁对象。
- 调用
operator delete释放内存。
示例代码展示了new和delete的工作机制：
#include <iostream>
class MyClass {
public:
MyClass() {
std::cout << "Constructor called" << std::endl;
}
~MyClass() {
std::cout << "Destructor called" << std::endl;
}
};
int main() {
MyClass *obj = new MyClass();
delete obj;
return 0;
}在上面的代码中，当我们使用 new MyClass() 创建对象时，首先调用 operator new 分配内存，然后在分配的内存上调用 MyClass 的构造函数。当我们使用 delete obj 删除对象时，首先调用 MyClass 的析构函数，然后调用 operator delete 释放内存。
6. 定位new表达式(placement-new)
placement new 是C++中的一个高级特性，用于在已分配的内存上构造对象。它不会分配新的内存，只是调用对象的构造函数。
#include <iostream>
int main() {
char buffer[sizeof(int)];
int *p = new (buffer) int(5); // 在buffer中构造int
std::cout << *p << std::endl;
p->~int(); // 手动调用析构函数
return 0;
}在上面的代码中，我们在预先分配的内存 buffer 中使用 placement new 构造了一个 int 对象。这种技术通常用于自定义内存池或优化程序性能。
7. 常见面试题
1.解释C++中new和malloc的区别
- new：
- 分配内存并调用构造函数初始化对象。
- 返回对象的指针。
- 可以重载。
- 用于分配类对象。
- malloc：
- 仅分配内存，不调用构造函数。
- 返回
void*类型的指针，需要类型转换。 - 不能重载。
- 用于分配任意类型的内存。
2.什么是内存泄漏？如何避免？
- 内存泄漏： 是指程序在分配内存后，未能正确释放已分配的内存，导致内存无法被重新利用。
- 避免方法：
- 使用智能指针（如
std::unique_ptr和std::shared_ptr）来自动管理内存。 - 确保每个
malloc对应一个free，每个new对应一个delete。 - 使用工具如 Valgrind 进行内存泄漏检测。
- 使用智能指针（如
3.解释C++中的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）
RAII： 是一种编程习惯，即资源的获取和释放通过对象的构造函数和析构函数来管理。
示例：
#include <iostream>
#include <memory>
class Resource {
public:
Resource() { std::cout << "Resource acquired" << std::endl; }
~Resource() { std::cout << "Resource released" << std::endl; }
};
void useResource() {
std::unique_ptr<Resource> res(new Resource());
// 使用资源
}
int main() {
useResource();
return 0;
}4.解释栈区和堆区的区别
- 栈区：
- 用于存储函数调用的局部变量。
- 内存由编译器自动分配和释放。
- 具有后进先出的特点。
- 内存分配效率高，但大小有限。
- 堆区：
- 用于动态内存分配。
- 内存由程序员手动分配和释放。
- 大小不固定，可以动态增长或缩小。
- 内存分配效率较低，但灵活性高。
5.如何实现自己的内存池？
内存池是一种预分配大块内存以减少多次分配开销的方法。可以通过链表管理内存块，分配时从链表中取出一块内存，释放时将内存块重新挂回链表。
#include <iostream>
#include <vector>
class MemoryPool {
std::vector<void*> pool;
public:
MemoryPool(size_t size, size_t count) {
for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
pool.push_back(malloc(size));
}
}
void* allocate() {
if (pool.empty()) return malloc(1); // 返回新分配内存
void* ptr = pool.back();
pool.pop_back();
return ptr;
}
void deallocate(void* ptr) {
pool.push_back(ptr);
}
~MemoryPool() {
for (auto ptr : pool) {
free(ptr);
}
}
};
int main() {
MemoryPool pool(256, 10);
void* p1 = pool.allocate();
pool.deallocate(p1);
return 0;
}