C/C++內(nèi)存管理的示例分析

這篇文章主要介紹了C/C++內(nèi)存管理的示例分析，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

C/C++賦予程序員管理內(nèi)存的自由，是C/C++語言特色，雖然這引入了復(fù)雜度和危險(xiǎn)性，但另一方面，它也增加了控制力和靈活性，是C/C++獨(dú)特之處，亦是強(qiáng)大之處。

C/C++內(nèi)存分布

讓我們先來看看下面這段代碼：

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);
}

你知道代碼中的各個(gè)部分分別存儲(chǔ)在內(nèi)存中的哪一個(gè)區(qū)域嗎？

【說明】
?1、棧又叫堆棧，用于存儲(chǔ)非靜態(tài)局部變量/函數(shù)參數(shù)/返回值等等，棧是向下增長的。
?2、內(nèi)存映射段是高效的I/O映射方式，用于裝載一個(gè)共享的動(dòng)態(tài)內(nèi)存庫。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享內(nèi)存，做進(jìn)程間通信。
?3、堆用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，堆是向上增長的。
?4、數(shù)據(jù)段又叫靜態(tài)區(qū)，用于存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。
?5、代碼段又叫常量區(qū)，用于存放可執(zhí)行的代碼和只讀常量。

順便提一下：為什么說棧是向下增長的，而堆是向上增長的？

?簡單來說，在一般情況下，在棧區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較高，而在堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較低。

例如，下面代碼中，變量a和變量b存儲(chǔ)在棧區(qū)，指針c和指針d指向堆區(qū)的內(nèi)存空間：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//棧區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址高
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	//堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址低
	int* c = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	int* d = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	cout << c << endl;
	cout << d << endl;
	return 0;
}

?因?yàn)樵跅^(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較高，所以打印出來a的地址大于b的地址；在堆區(qū)開辟空間，先開辟的空間地址較低，所以c指向的空間地址小于d指向的空間地址。

注意：在堆區(qū)開辟空間，后開辟的空間地址不一定比先開辟的空間地址高。因?yàn)樵诙褏^(qū)，后開辟的空間也有可能位于前面某一被釋放的空間位置。

C語言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式

malloc、calloc、realloc和free
一、malloc

?malloc函數(shù)的功能是開辟指定字節(jié)大小的內(nèi)存空間，如果開辟成功就返回該空間的首地址，如果開辟失敗就返回一個(gè)NULL。傳參時(shí)只需傳入需要開辟的字節(jié)個(gè)數(shù)。

二、calloc

?calloc函數(shù)的功能也是開辟指定大小的內(nèi)存空間，如果開辟成功就返回該空間的首地址，如果開辟失敗就返回一個(gè)NULL。calloc函數(shù)傳參時(shí)需要傳入開辟的內(nèi)存用于存放的元素個(gè)數(shù)和每個(gè)元素的大小。calloc函數(shù)開辟好內(nèi)存后會(huì)將空間內(nèi)容中的每一個(gè)字節(jié)都初始化為0。

三、realloc

?realloc函數(shù)可以調(diào)整已經(jīng)開辟好的動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小，第一個(gè)參數(shù)是需要調(diào)整大小的動(dòng)態(tài)內(nèi)存的首地址，第二個(gè)參數(shù)是動(dòng)態(tài)內(nèi)存調(diào)整后的新大小。realloc函數(shù)與上面兩個(gè)函數(shù)一樣，如果開辟成功便返回開辟好的內(nèi)存的首地址，開辟失敗則返回NULL。

realloc函數(shù)調(diào)整動(dòng)態(tài)內(nèi)存大小的時(shí)候會(huì)有三種情況：
?1、原地?cái)U(kuò)。需擴(kuò)展的空間后方有足夠的空間可供擴(kuò)展，此時(shí)，realloc函數(shù)直接在原空間后方進(jìn)行擴(kuò)展，并返回該內(nèi)存空間首地址（即原來的首地址）。
?2、異地?cái)U(kuò)。需擴(kuò)展的空間后方?jīng)]有足夠的空間可供擴(kuò)展，此時(shí)，realloc函數(shù)會(huì)在堆區(qū)中重新找一塊滿足要求的內(nèi)存空間，把原空間內(nèi)的數(shù)據(jù)拷貝到新空間中，并主動(dòng)將原空間內(nèi)存釋放（即還給操作系統(tǒng)），返回新內(nèi)存空間的首地址。
?3、擴(kuò)充失敗。需擴(kuò)展的空間后方?jīng)]有足夠的空間可供擴(kuò)展，并且堆區(qū)中也沒有符合需要開辟的內(nèi)存大小的空間。結(jié)果就是開辟內(nèi)存失敗，返回一個(gè)NULL。

四、free

?free函數(shù)的作用就是將malloc、calloc以及realloc函數(shù)申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間釋放，其釋放空間的大小取決于之前申請(qǐng)的內(nèi)存空間的大小。

?若還想進(jìn)一步了解malloc、calloc、realloc和free，請(qǐng)閱讀C語言動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。

C++中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式

?首先，C語言內(nèi)存管理的方式在C++中可以繼續(xù)使用。但有些地方就無能為力而且使用起來比較麻煩，因此C++又提出了自己的內(nèi)存管理方式：通過new和delete操作符進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。

new和delete操作內(nèi)置類型

一、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)某類型的空間

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)int類型的空間
	int* p1 = new int; //申請(qǐng)
	
	delete p1; //銷毀

其作用等價(jià)于：

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)int類型的空間
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申請(qǐng)

	free(p2); //銷毀

二、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)多個(gè)某類型的空間

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間
	int* p3 = new int[10]; //申請(qǐng)

	delete[] p3; //銷毀

其作用等價(jià)于：

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申請(qǐng)
	
	free(p4); //銷毀

三、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)某類型的空間并初始化

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)int類型的空間并初始化為10
	int* p5 = new int(10); //申請(qǐng) + 賦值

	delete p5; //銷毀

其作用等價(jià)于：

	//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類型的空間并初始化為10
	int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申請(qǐng)
	*p6 = 10; //賦值

	free(p6); //銷毀

四、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)多個(gè)某類型的空間并初始化

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間并初始化為0到9
	int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申請(qǐng) + 賦值

	delete[] p7; //銷毀

其作用等價(jià)于：

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間并初始化為0到9
	int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申請(qǐng)
	for (int i = 0; i < 10; i++) //賦值
	{
		p8[i] = i;
	}

	free(p8); //銷毀

注意：申請(qǐng)和釋放單個(gè)元素的空間，使用new和delete操作符；申請(qǐng)和釋放連續(xù)的空間，使用new[ ]和delete[ ]。

new和delete操作自定義類型

對(duì)于以下自定義類型：

class Test
{
public:
	Test() //構(gòu)造函數(shù)
		:_a(0)
	{
		cout << "構(gòu)造函數(shù)" << endl;
	}
	~Test() //析構(gòu)函數(shù)
	{
		cout << "析構(gòu)函數(shù)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

一、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)單個(gè)類的空間
用new和delete操作符：

Test* p1 = new Test; //申請(qǐng)
	
	delete p1; //銷毀

用malloc和free函數(shù)：

Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)); //申請(qǐng)
	
	free(p2); //銷毀

二、動(dòng)態(tài)申請(qǐng)多個(gè)類的空間
用new和delete操作符：

Test* p3 = new Test[10]; //申請(qǐng)
	
	delete[] p3; //銷毀

用malloc和free函數(shù)：

Test* p4 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10); //申請(qǐng)
	
	free(p4); //銷毀

注意：在申請(qǐng)自定義類型的空間時(shí)，new會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，delete會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc和free不會(huì)。

總結(jié)一下：
?1、C++中如果是申請(qǐng)內(nèi)置類型的對(duì)象或是數(shù)組，用new/delete和malloc/free沒有什么區(qū)別。
?2、如果是自定義類型，區(qū)別很大，new和delete分別是開空間+構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)+釋放空間，而malloc和free僅僅是開空間和釋放空間。
?3、建議在C++中無論是內(nèi)置類型還是自定義類型的申請(qǐng)和釋放，盡量都使用new和delete。

operator new和operator delete函數(shù)

?new和delete是用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的操作符，operator new和operator delete是系統(tǒng)提供的全局函數(shù)，new和delete在底層是通過調(diào)用全局函數(shù)operator new和operator delete來申請(qǐng)和釋放空間的。
?operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一樣，其功能都是在堆上申請(qǐng)和釋放空間。

int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申請(qǐng)
	
	operator delete(p1); //銷毀

其作用等價(jià)于：

int* p2 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申請(qǐng)
	
	free(p2); //銷毀

?實(shí)際上，operator new的底層是通過調(diào)用malloc函數(shù)來申請(qǐng)空間的，當(dāng)malloc申請(qǐng)空間成功時(shí)直接返回；若申請(qǐng)空間失敗，則嘗試執(zhí)行空間不足的應(yīng)對(duì)措施，如果該應(yīng)對(duì)措施用戶設(shè)置了，則繼續(xù)申請(qǐng)，否則拋異常。而operator delete的底層是通過調(diào)用free函數(shù)來釋放空間的。

注意：雖然說operator new和operator delete是系統(tǒng)提供的全局函數(shù)，但是我們也可以針對(duì)某個(gè)類，重載其專屬的operator new和operator delete函數(shù)，進(jìn)而提高效率。

new和delete的實(shí)現(xiàn)原理

內(nèi)置類型

?如果申請(qǐng)的是內(nèi)置類型的空間，new/delete和malloc/free基本類似，不同的是，new/delete申請(qǐng)釋放的是單個(gè)元素的空間，new[ ]/delete [ ]申請(qǐng)釋放的是連續(xù)的空間，此外，malloc申請(qǐng)失敗會(huì)返回NULL，而new申請(qǐng)失敗會(huì)拋異常。

自定義類型

new的原理
?1、調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間。
?2、在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的構(gòu)造。

delete的原理
?1、在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象中資源的清理工作。
?2、調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對(duì)象的空間。

new T[N]的原理
?1、調(diào)用operator new[ ]函數(shù)，在operator new[ ]函數(shù)中實(shí)際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的申請(qǐng)。
?2、在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)。

delete[ ] 的原理
?1、在空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個(gè)對(duì)象中資源的清理。
?2、調(diào)用operator delete[ ]函數(shù)，在operator delete[ ]函數(shù)中實(shí)際調(diào)用operator delete函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的釋放。

定位new和表達(dá)式(placement-new)

?定位new表達(dá)式是在已分配的原始內(nèi)存空間中調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化一個(gè)對(duì)象。
使用格式：

new(place_address)type 或者 new(place_address)type(initializer-list)

?其中place_address必須是一個(gè)指針，initializer-list是類型的初始化列表。

使用場景：
?定位new表達(dá)式在實(shí)際中一般是配合內(nèi)存池使用，因?yàn)閮?nèi)存池分配出的內(nèi)存沒有初始化，所以如果是自定義類型的對(duì)象，就需要使用定位new表達(dá)式進(jìn)行顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0) //構(gòu)造函數(shù) 
		:_a(a)
	{}

	~A() //析構(gòu)函數(shù)
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//new(place_address)type 形式
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;

	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p2)A(2021);

	//析構(gòu)函數(shù)也可以顯示調(diào)用
	p1->~A();
	p2->~A();
	return 0;
}

注意：在未使用定位new表達(dá)式進(jìn)行顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化之前，malloc申請(qǐng)的空間還不能算是一個(gè)對(duì)象，它只不過是與A對(duì)象大小相同的一塊空間，因?yàn)闃?gòu)造函數(shù)還沒有執(zhí)行。

常見面試題

malloc/free和new/delete的區(qū)別？

共同點(diǎn)：
?都是從堆上申請(qǐng)空間，并且需要用戶手動(dòng)釋放。
不同點(diǎn)：

?1、malloc和free是函數(shù)，new和delete是操作符。
?2、malloc申請(qǐng)的空間不會(huì)初始化，new申請(qǐng)的空間會(huì)初始化。
?3、malloc申請(qǐng)空間時(shí)，需要手動(dòng)計(jì)算空間大小并傳遞，new只需在其后跟上空間的類型即可。
?4、malloc的返回值是void*，在使用時(shí)必須強(qiáng)轉(zhuǎn)，new不需要，因?yàn)閚ew后跟的是空間的類型。
?5、malloc申請(qǐng)失敗時(shí)，返回的是NULL，因此使用時(shí)必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常。
?6、申請(qǐng)自定義類型對(duì)象時(shí)，malloc/free只會(huì)開辟空間，不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，而new在申請(qǐng)空間后會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對(duì)象的初始化，delete在釋放空間前會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理。

內(nèi)存泄漏 什么是內(nèi)存泄漏，內(nèi)存泄漏的危害？

內(nèi)存泄漏：

?內(nèi)存泄漏是指因?yàn)槭韬龌蝈e(cuò)誤造成程序未能釋放已經(jīng)不再使用的內(nèi)存的情況。內(nèi)存泄漏并不是指內(nèi)存在物理上的消失，而是應(yīng)用程序分配某段內(nèi)存后，因?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤，失去了對(duì)該段內(nèi)存的控制，因而造成了內(nèi)存的浪費(fèi)。

內(nèi)存泄漏的危害：

?長期運(yùn)行的程序出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，影響很大，如操作系統(tǒng)、后臺(tái)服務(wù)等等，出現(xiàn)內(nèi)存泄漏會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)越來越慢，最終卡死。

void MemoryLeaks()
{
	// 1.內(nèi)存申請(qǐng)了忘記釋放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.異常安全問題
	int* p3 = new int[10];
	Func(); // 這里Func函數(shù)拋異常導(dǎo)致 delete[] p3未執(zhí)行，p3沒被釋放.
	delete[] p3;
}

內(nèi)存泄漏分類？

在C/C++中我們一般關(guān)心兩種方面的內(nèi)存泄漏：
1、堆內(nèi)存泄漏(Heap Leak)

?堆內(nèi)存指的是程序執(zhí)行中通過malloc、calloc、realloc、new等從堆中分配的一塊內(nèi)存，用完后必須通過調(diào)用相應(yīng)的free或者delete釋放。假設(shè)程序的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致這部分內(nèi)容沒有被釋放，那么以后這部分空間將無法再被使用，就會(huì)產(chǎn)生Heap
Leak。

2、系統(tǒng)資源泄漏

?指程序使用系統(tǒng)分配的資源，比方套接字、文件描述符、管道等沒有使用對(duì)應(yīng)的函數(shù)釋放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重可導(dǎo)致系統(tǒng)效能減少，系統(tǒng)執(zhí)行不穩(wěn)定。

如何避免內(nèi)存泄漏？

?1、工程前期良好的設(shè)計(jì)規(guī)范，養(yǎng)成良好的編碼規(guī)范，申請(qǐng)的內(nèi)存空間記住匹配的去釋放。
?2、采用RALL思想或者智能指針來管理資源。
?3、有些公司內(nèi)部規(guī)范使用內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的私有內(nèi)存管理庫，該庫自帶內(nèi)存泄漏檢測(cè)的功能選項(xiàng)。
?4、出問題了使用內(nèi)存泄漏工具檢測(cè)。

內(nèi)存泄漏非常常見，解決方案分為兩種：
?1、事前預(yù)防型。如智能指針等。
?2、事后查錯(cuò)型。如泄漏檢測(cè)工具。

如何一次在堆上申請(qǐng)4G的內(nèi)存？

在堆上申請(qǐng)4G的內(nèi)存：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//0xffffffff轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制就是4G
	void* p = malloc(0xfffffffful);
	cout << p << endl;

	return 0;
}

?在32位的平臺(tái)下，內(nèi)存大小為4G，但是堆只占了其中的2G左右，所以我們不可能在32位的平臺(tái)下，一次性在堆上申請(qǐng)4G的內(nèi)存。這時(shí)我們可以將編譯器上的win32改為x64，即64位平臺(tái)，這樣我們便可以一次性在堆上申請(qǐng)4G的內(nèi)存了。

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