C/C++内存管理

C/C++中程序内存区域划分

C/C++中程序内存区域大致划分六个部分：内核空间（用户代码不能读写）、栈（向下增长）、内存映射段（文件映射、动态库、匿名映射）、堆（向上增长）、数据段（全局数据、静态数据）、代码段（可执行代码、只读常量）。

各自内存区域功能

  1. 栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。
  2. 内存映射段，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，堆是向上增长的。
  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。

相关例题

针对下面代码，完成下面三道小题：

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(静态区) D.代码段(常量区)//globalVar在哪里？____staticGlobalVar在哪里？____//staticVar在哪里？____localVar在哪里？____//num1 在哪里？____////char2在哪里？____ * char2在哪里？___//pChar3在哪里？____ * pChar3在哪里？____//ptr1在哪里？____ * ptr1在哪里？____//2. 填空题：//sizeof(num1) = ____;//sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;//sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;//sizeof(ptr1) = ____;//3. sizeof 和 strlen 区别？

①对于内存区域理解

选择题组一

A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

  1. globalVar在哪里？
  2. staticGlobalVar在哪里？
  3. staticVar在哪里？
  4. localVar在哪里？
  5. num1 在哪里？
解析
  1. int globalVar = 1;

    globalVar是全局变量；“数据段，存储全局数据和静态数据”，故选C.数据段(静态区)；

  2. static int staticGlobalVar = 1;

    staticGlobalVar是全局静态变量，“数据段，存储全局数据和静态数据。”故选C.数据段(静态区)；

  3. void Test(){static int staticVar = 1;}

    staticVar是局部静态变量，“数据段，存储全局数据和静态数据。”故选C.数据段(静态区)；

  4. void Test(){int localVar = 1;}

    localVar是局部静态变量，“栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。”故选A.栈；

  5. void Test(){int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };}

    num1是局部非静态变量，“栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。”故选A.栈；

选择题组二

A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

  1. char2在哪里？
  2. *char2在哪里？
  3. pChar3在哪里？
  4. *pChar3在哪里？
  5. ptr1在哪里？
  6. *ptr1在哪里？
解析
  1. void Test(){char char2[] = "abcd";}

    char2是局部非静态变量，“栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。”故选A.栈；

  2. void Test(){char char2[] = "abcd";}

    数组是首元素的地址，所以对其解引用仍在栈。

  3. void Test(){const char* pChar3 = "abcd";}

    pchar3是地址，是局部非静态变量，注：const修饰的是字符串“abcd”为常量。“栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。”故选A.栈；

  4. void Test(){const char* pChar3 = "abcd";}

    pchar3是地址，指向一块存储字符串“abcd”的空间，*pchar3是对地址解引用，为字符串“abcd”。const修饰的是字符串“abcd”，所以为常量，“代码段，可执行的代码、只读常量。”故选D；

  5. void Test(){int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);}

    ptr1是地址，是局部非静态变量，“栈，又叫做堆栈。非静态局部变量、函数参数、返回值等；栈是向下增长的。”故选A.栈；

  6. void Test(){int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);}

    pchar3是地址，指向一块动态开辟的空间，“堆，用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的。”故选B。

②对于sizeof以及strlen理解

填空题
  1. sizeof(num1) = ____;
  2. sizeof(char2) = ____;
  3. strlen(char2) = ____;
  4. sizeof(pChar3) = ____;
  5. strlen(pChar3) = ____;
  6. sizeof(ptr1) = ____;
解析
  1. int globalVar = 1;

    sizeof(num1)：num1是开辟10个空间的数组，int为4字节；；

  2. void Test(){char char2[] = "abcd";}

    sizeof(char2) ：“abcd”字符串中隐藏了’\0’，有5个字符；

  3. void Test(){char char2[] = "abcd";}

    strlen(char2) ：strlen计算’\0’前面有几个字符，4个字符；

  4. void Test(){const char* pChar3 = "abcd";}

    sizeof(pChar3)：pchar3是地址，是地址就是4或者8；

  5. void Test(){const char* pChar3 = "abcd";}

    strlen(pChar3) ：strlen计算’\0’前面有几个字符，4个字符；

  6. void Test(){int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);}

    sizeof(ptr1)：ptr1是地址，是地址就是4或者8；

③sizeof和strlen区别

【点击查看】sizeof和strlen的区别、sizeof(a)与sizeof(a+0)区别在哪里？sizeof(*a)、sizeof(a+1)、sizeof(a[1])…… | 笔试题分析| 超全

C++中动态内存管理

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但是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

new/delete操作内置类型使用语法

  • 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[]，注意要匹配起来使用。
数据类型 变量名 = new 数据类型;数据类型 变量名 = new 数据类型（初始化值）;数据类型 变量名 = new 数据类型[个数]）;delete 变量名；delete []变量名；

new/delete操作内置类型使用示范

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10int* ptr5 = new int(10);//动态申请三个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;}

new/delete操作自定义类型

new/delete操作自定义类型语法

类名* 地址名 = new 类名[];

new/delete操作自定义类型使用示范

class A{private:int _a;public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a = 0)" << this << endl;}~A(){cout << "~A()" << this << endl;}};int main(){A* p2 = new A[10];delete[] p2;return 0;}

new/delete和malloc/free区别

  • 对于内置类型，几乎都一样；
  • 对于自定义类型，new/delete除了开辟空间还会调用构造函数和析构函数。

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。
  • operator new实际也是通过malloc来申请空间的；
  • 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是不足应对措施的；‘’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；
  • naw[]和delete[]申请的是连续空间；
  • 而且new在申请空间时会抛出异常，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（placement-new）语法

  • 定位new表达式是在已经分配的原始内存空间中调用了构造函数初始化一个对象。
  • 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定义表达式进行显示调用构造函数进行初始化）。
new(指针名)数据类型;new(指针名)数据类型(初始化列表);

定位new表达式（placement-new）使用实例

class A{private:int _a;public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a = 0)" << this << endl;}~A(){cout << "~A()" << this <~A();operator delete(p1);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，并且都需要用户手动释放。

malloc/free和new/delete不同点：

  • malloc和free是函数，new和delete是操作符；
  • malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化；
  • malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需要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；
  • malloc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；
  • 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；
  • 申请自定义类型对象时，malloc和free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，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

内存泄漏

内存泄漏，是指因为疏忽或者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

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。

如何避免内存泄漏：

  1. 事前预防。智能指针等。
  2. 事后查错型。泄漏检测工具。