c/c++内存管理

前言

        开篇前就聊聊篮球在众多球星中我觉得杜兰特KD非常专注于篮球他一直坚持他所热爱的事业。尽管有很多缺点但是他对于篮球的态度是坚定不移这是我非常钦佩的。当然库里乔治哈登或者正处于风波的欧文等等都是很好的球员。

本人是一个非常喜欢篮球的博主最近有忙于篮球的训练。经过身体的疲劳后会选择休息空闲时更是不愿意动就会寻找适当的借口选择摆烂。但是当听到有人说有的时候人应该给自己一点狠劲。听到时有一种莫名的对自己的愧疚感而这句话对于我还是很受用的。当然当你选择松懈或者摆烂这句话就送给自己。

这篇文章会主要讲内存管理其实在学c语言的时候就已经有提到就是每块内存中的不同区域做着不同事情他们有着不同的任务实现这不同的功能但是他们的本质都是存储数据。这个就像篮球打全场一样1号位-5号位有着不同的任务比如1号位负责带球过半场4号5号负责挡拆当他们上场的时候都是一个整体而运作起来他们的本质也是一样就为了得分。很多时候计算机的场景就是生活的缩影。

目录

前言

C/C++内存分布        

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

C++内存管理方式

 new/delete操作内置类型

new和delete操作自定义类型

operator new与operator delete函数 

new和delete的实现原理

内置类型

自定义类型

定位new表达式(placement-new)

常见面试题

内存泄漏分类

---

C/C++内存分布        

为了更好的介绍C++的内存管理我们先来复习一下进程地址空间中各个区段的分布吧

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。

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。

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。

那么下面通过试题来深入理解

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";
	const 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);
}

1. 选择题
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
globalVar在哪里__C__ staticGlobalVar在哪里__C__
staticVar在哪里__C__ localVar在哪里__A__
num1 在哪里__A__
char2在哪里__A__ *char2在哪里__A__
pChar3在哪里__A__ *pChar3在哪里__D__
ptr1在哪里__A__ *ptr1在哪里__B__

char2局部变量在栈区  

char2是一个数组把后面常量串拷贝过来到数组中数组在栈上所以*char2在栈上

--会自动释放函数中数组的值像是临时变量。静态数组在函数里声明是存放在栈中的

pChar3局部变量在栈区   

*pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

ptr1局部变量在栈区     

*ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

2. 填空题
sizeof(num1) = __40__;
sizeof(char2) = __5__; strlen(char2) = __4__;
sizeof(pChar3) = __4/8__; strlen(pChar3) = __4__;
sizeof(ptr1) = __4/8__;

3. sizeof 和 strlen 区别

1.含义上有不同一个为运算符号、另一个为函数表达。

sizeof它是运算符号而strlen则是函数有不同的用法。

2、和初始化的关系有不同

sizeof可以用于做参数与初始化有一定的关系而strlen则只能用char做参数而且有限制不是直接可以做且与初始化无关这也是两者的区别所在。

3.计算的时间不一样一个在编译时另一个在运行时。

strlen和sizeof 的计算时间不一样sizeof在编译时就能计算而strlen只能在运算时才能计算这是需要大家注意的一点。

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
    // 不需要free(p3)的时候就将p2释放了。

	free(p3);
}

【面试题】 

malloc/calloc/realloc的相同点和区别 

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

区别

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

malloc的实现原理

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。 

 new/delete操作内置类型

void main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	*ptr1 = 5;
	cout << *ptr1 << endl << endl;

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为6	
	int* ptr2 = new int(6);
	cout << *ptr2 << endl << endl;


	// 动态申请5个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[5];
	for (int i = 0; i < 5;i++)
	{
		ptr3[i] = i;
		cout << ptr3[i] <<' ';
	}

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete ptr3;
}

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。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	//构造函数
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	//析构函数
	~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));
	free(p1);

	A* p2 = new A(1);
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	free(p3);
	int* p4 = new int;	
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)* 10);
	free(p5);
	A* p6 = new A[10];
	delete[] p6;
	//直观来看在自定义类型来说用new和delete是更加间接是

	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。

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在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

代码

void Test()
{
	while (1)
	{
		// new失败 抛异常 -- 不需要检查返回值
		char* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		//char* p1 = (char*)operator new(1024 * 1024 * 1024);
		cout << (void*)p1 << endl;
	}
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

 反汇编

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。

new和delete的实现原理

内置类型

如果申请的是内置类型的空间new和mallocdelete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。

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

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;
}

常见面试题

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

内存泄漏

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。

void MemoryLeaks()
{
   // 1.内存申请了忘记释放

  int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
  int* p2 = new int;
  
  // 2.异常安全问题

  int* p3 = new int[10];
  
  Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行p3没被释放.

  
  delete[] p3;
}

内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏

堆内存泄漏(Heap leak)

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过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 删掉。假设程序的设计错误导致这部分 内存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。

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。

如何检测内存泄漏

因此写代码时一定要小心尤其是动态内存操作时一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜 防简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大内存泄漏位置比较多不太好查时 一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。 

在linux下内存泄漏检测linux下几款内存泄漏检测工具

在windows下使用第三方工具VLD工具说明

其他工具内存泄漏工具比较

如何避免内存泄漏

1. 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着匹配的去释放。ps 这个理想状态。但是如果碰上异常时就算注意释放了还是可能会出问题。需要下一条智 能指针来管理才有保证。

2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。

3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。

4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps不过很多工具都不够靠谱或者收费昂贵。

总结一下:

内存泄漏非常常见解决方案分为两种

1、事前预防型。如智能指针等。

2、事后查错型。如泄 漏检测工具。