C++內(nèi)存管理原理是什么

這篇文章主要講解了“C++內(nèi)存管理原理是什么”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“C++內(nèi)存管理原理是什么”吧！

1.C/C++中程序內(nèi)存分布

C/C++中程序內(nèi)存區(qū)域大致劃分為：內(nèi)核空間（這部分用戶不能讀寫）、棧、內(nèi)存映射段、堆、數(shù)據(jù)段（存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)）、代碼段（存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼、只讀常量，又稱常量區(qū)）。

1.1 內(nèi)存分布圖

1.2 小試牛刀

接下來(lái)看下如下代碼，思考下每一個(gè)變量分別在哪個(gè)內(nèi)存區(qū)域？

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";//有的編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，需要用const char 
	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(ptr2);
}

上述代碼段對(duì)應(yīng)變量區(qū)域劃分如下：

2.C語(yǔ)言部分的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式

再來(lái)回顧一下之前C語(yǔ)言部分的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式：malloc / calloc/ realloc和free

帶著兩個(gè)問(wèn)題閱讀下述程序段:

1.malloc / calloc/ realloc的區(qū)別是什么？

2.最后需要free(p2)嗎？

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);

	free(p3);
}

答：

1.calloc相當(dāng)于malloc+memset(0),即開空間+初始化。

2.realloc是對(duì)malloc/calloc的空間進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)容之下又涉及到了咱們前面所講的原地?cái)U(kuò)容和異地?cái)U(kuò)容倆種情景：原地?cái)U(kuò)容p2和p3是一樣的，也有可能是異地?cái)U(kuò)容，那么p2指向的空間已經(jīng)被釋放了，所以兩種情況下我們都可以不需要處理p2。

3.C++內(nèi)存管理方式

總之就是C語(yǔ)言那套內(nèi)存管理方式相對(duì)麻煩，所以C++提出了自己的內(nèi)存管理方式：通過(guò)new和delete操作符進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理.

3.1new/delete操作內(nèi)置類型

1.開辟單個(gè)元素

開辟單個(gè)元素基本語(yǔ)法: type * ptr = new type(content); ,可以理解成動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)type類型的空間并將其中內(nèi)容初始化為content，當(dāng)然，你也可以選擇不初始化。

釋放空間語(yǔ)法: delete name;

例：

int* a = new int(100);  //動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類型的空間并初始化為100
delete a;

2.開辟n個(gè)type類型的空間

開辟n個(gè)type類型基本語(yǔ)法: type* name = new type[n]

刪除的基本語(yǔ)法:delete[] name;

例：

int* ptr = new int[100];//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)100個(gè)int類型的空間
delete[] ptr;           //注意哦！一定要匹配哦！不然必崩潰！

3.對(duì)于內(nèi)置類型，malloc/free和new/delete確實(shí)沒(méi)有什么區(qū)別，二者的作用完全一樣。

例：

int main()
{
	//malloc向內(nèi)存申請(qǐng)4個(gè)整型大小的空間
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	//new向內(nèi)存申請(qǐng)4個(gè)整型大小的空間
	int* p2 = new int[4];
	//free釋放掉p1申請(qǐng)的空間
	free(p1);
	p1 = nullptr;
	//delete釋放掉p2申請(qǐng)的空間
	delete[] p2;
	return 0;
}

3.2 new/delete操作自定義類型

class  Date
{
public:
	Date(int year=2021, int month=1, int day=1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


int main()
{
	//malloc申請(qǐng)十個(gè)Date空間
	Date* p1 = (Date*)malloc(sizeof(Date) * 10);
	free(p1);

	//new申請(qǐng)十個(gè)Date空間
	Date* p2 = new Date[10];
	delete[] p2;

	return 0;
}

區(qū)別：在申請(qǐng)自定義類型空間的時(shí)候，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mallo和free不會(huì)哦！

4.new和delete底層實(shí)現(xiàn)原理（important!!!)

在講解他們的底層實(shí)現(xiàn)原理之前需要先先介紹一下兩個(gè)全局函數(shù),分別是operator new 和operator delete.

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在底層調(diào)用operator new全局函數(shù)來(lái)申請(qǐng)空間，delete在底層通過(guò)調(diào)用operator delete全局函數(shù)來(lái)釋放空間。

4.1operator new/operator delete

operator new封裝了 malloc 和失敗拋異常倆個(gè)部分，

下面是operator new的代碼：

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)              //如果開辟成功就不會(huì)進(jìn)入循環(huán),并且可以清晰
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申請(qǐng)內(nèi)存失敗了，這里會(huì)拋出bad_alloc 類型異常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

類似的，operator delete封裝了free

下面是operator delete的代碼：

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;
}

總結(jié)：通過(guò)觀察上述倆個(gè)全局函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)operator new實(shí)際也是通過(guò)malloc來(lái)申請(qǐng)空間，如果malloc申請(qǐng)空間成功就直接返回，否則執(zhí)行用戶提供的空間不足應(yīng)對(duì)措施，如果用戶提供該措施就繼續(xù)申請(qǐng)，否則就拋異常，operator delete最終是通過(guò)free來(lái)釋放空間的。

4.2new和delete的實(shí)現(xiàn)原理

 內(nèi)置類型

malloc/free與new/delete在處理內(nèi)置類型時(shí)并沒(méi)有區(qū)別，只是malloc申請(qǐng)空間失敗時(shí)返回空指針，而new申請(qǐng)空間時(shí)是拋異常，new/delete申請(qǐng)和釋放的是單個(gè)元素的空間，new[]和delete[]申請(qǐng)的是連續(xù)空間。

自定義類型

1.new的原理：1.調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間。2.在申請(qǐng)空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的初始化。

2.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)釋放空間。

另外new T[N]的原理：調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中實(shí)際調(diào)用N次operator new函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的申請(qǐng)，然后在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)。**delete[]的原理：**在釋放的對(duì)象空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個(gè)對(duì)象中資源的清理。然后調(diào)用operator delete[]釋放空間，實(shí)際在operator delete[]中調(diào)用N次operator delete來(lái)釋放空間。

初學(xué)者看到“delete調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象資源的清理工作，后邊又調(diào)用operator delete函數(shù)釋放空間”這部分內(nèi)容時(shí)可能會(huì)比較混亂，這里以棧為例子詳細(xì)說(shuō)下：

struct Stack
{
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new int[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;
	}
	~Stack()
	{
		delete _a;
		_top = _capacity = 0;
		cout << "~Stack()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Stack st;

	Stack* ps = new Stack;
	delete ps;
	return 0;
}

首先，創(chuàng)建st變量，存放在棧當(dāng)中，然后調(diào)用構(gòu)造函數(shù)_a申請(qǐng)空間（對(duì)應(yīng)上圖動(dòng)作1）。

接著，對(duì)于ps，會(huì)先去堆上調(diào)用operator new開辟一塊空間（對(duì)應(yīng)上圖動(dòng)作2），再調(diào)用構(gòu)造函數(shù)對(duì)對(duì)象進(jìn)行初始化，初始化時(shí)_a又會(huì)申請(qǐng)空間（對(duì)應(yīng)上圖動(dòng)作3）

最后，delete[] ps，會(huì)先調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成對(duì)象資源的清理，即釋放_(tái) a申請(qǐng)的空間，然后調(diào)用operator delete釋放ps申請(qǐng)的空間，然后調(diào)用析構(gòu)函數(shù) _ a申請(qǐng)的空間。（就是步驟321）

5.相關(guān)面經(jīng)

5.1malloc/free與new/delete的區(qū)別

1.malloc/free是函數(shù)，而new/delete是操作符。

2.malloc申請(qǐng)的空間不會(huì)初始化，而new申請(qǐng)的空間可以初始化（內(nèi)置類型new也不會(huì)初始化）。

3.malloc申請(qǐng)空間時(shí)需要手動(dòng)計(jì)算要申請(qǐng)的空間的字節(jié)數(shù)，而new申請(qǐng)空間只需要所申請(qǐng)的類型即可。

4.malloc的返回值為void*，使用是需要強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，而new不需要，因?yàn)閚ew跟的是空間的類型。

5.對(duì)于申請(qǐng)內(nèi)存失敗，malloc的處理是返回空指針NULL，而new的處理是拋異常

6.對(duì)于自定義類型，new/delete會(huì)調(diào)用其構(gòu)造/析構(gòu)函數(shù)，而malloc/delete不會(huì)。

5.2什么是內(nèi)存泄漏？

內(nèi)存泄漏指因?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)。

5.3內(nèi)存泄漏的危害

如果是長(zhǎng)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(lái)越慢，最終卡死。

比如王者榮耀后臺(tái)服務(wù)，長(zhǎng)期運(yùn)行，只有升級(jí)的時(shí)候才會(huì)停，內(nèi)存泄漏會(huì)導(dǎo)致可用內(nèi)存越來(lái)越少，程序越來(lái)越慢，甚至掛掉。

再比如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：各種智能家居、智能機(jī)器人等等，它們內(nèi)存很小，也經(jīng)不起內(nèi)存泄漏的折騰。

by the way，對(duì)于C++我們需要主動(dòng)釋放內(nèi)存，但是在Java當(dāng)中，不再需要主動(dòng)釋放內(nèi)存，Java后臺(tái)有垃圾回收器，接管了內(nèi)存釋放（所以Java寫得好舒服，嗚嗚嗚）

5.4如何預(yù)防內(nèi)存泄漏（先了解一下，后續(xù)作者再詳細(xì)介紹）

1.智能指針

2.內(nèi)存泄漏檢測(cè)工具

2.1在linux環(huán)境下：

2.2在Windows環(huán)境下使用第三方工具：VLD工具

原理：以Visual Leak Detector為例，其工作分為3步，首先在初始化注冊(cè)一個(gè)鉤子函數(shù)；然后在內(nèi)存分配時(shí)該鉤子函數(shù)被調(diào)用以記錄下當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)；最后檢查堆內(nèi)存分配鏈表以確定是否存在內(nèi)存泄漏并將泄漏內(nèi)存的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換成可讀的形式輸出。

感謝各位的閱讀，以上就是“C++內(nèi)存管理原理是什么”的內(nèi)容了，經(jīng)過(guò)本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)C++內(nèi)存管理原理是什么這一問(wèn)題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！