[C/C++]——内存管理

news/2024/3/4 10:05:42

学习C/C++的内存管理

  • 前言:
  • 一、C/C++的内存分布
  • 二、C语言中动态内存管理方式
  • 三、C++中动态内存管理方式
    • 3.1、new/delete操作符
      • 3.1.2、new/delete操作内置类型
      • 3.1.3、new/delete操作自定义类型
    • 3.2、认识operator new和operator delete函数
    • 3.3、了解new和delete的实现原理
      • 3.3.1、内置类型
      • 3.3.2、自定义类型
      • 3.3.3、new和delete的实现原理
    • 3.4、学习定位new(placement-new)
  • 四、动态内存管理常规面试题
    • 4.1 malloc/free和new/delete的区别
    • 4.2 内存泄漏
      • 4.2.1什么是内存泄漏,内存泄漏的危害
      • 4.2.2 内存泄漏分类
      • 4.2.3 如何检测内存泄漏
      • 4.2.4 如何避免内存泄漏

前言:

c++的学习是一个爬坡的过程,希望大家坚持下去。

一、C/C++的内存分布

为了更直观的学习,我直接展示案例。大家多深入思考,一个案例会了,别的题目也就会了。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

1代表代码段;2、3代表数据段;4代表堆区;5代表栈区。

value在哪里:数据段
values在哪里:数据段
values1在哪里:数据段
values2在哪里:栈区
arr在哪里:栈区
arr1在哪里:栈区 ; *arr1在哪里:栈区。
ptr在哪里:栈区 ;*ptr在哪里:代码段。
ptr1 在哪里:栈区 ;*ptr1 在哪里:堆区 。

结论:

  • 内核空间:操作系统内核-kernel,受硬件保护,用户不能进行读写,用于执行各种机器指令。
  • 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的共享内存,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(静态区):存储全局数据和静态数据
  • 代码段(常量区):存储可执行的代码/只读常量

二、C语言中动态内存管理方式

下面我将回顾一下C语言的内存管理方式,更详细的信息可以看我以前的文章C语言动态内存管理。

涉及四个主要函数,分别为malloc、calloc、realloc、free

  • malloc:动态申请一块内存空间,不进行初始化,函数原型为void* malloc(size_t size),在使用malloc函数的返回值是要进行强制类型转换。
  • calloc:动态申请内存空间,并将申请的空间的内容初始化为0。函数原型为:void* calloc(size_t num, size_tsize),num表示申请内存空间的块数,size表示每块空间的大小。
  • realloc:调整一块已经申请的内存空间的大小,函数原型为void* realloc(void* ptr, size_t size),其中ptr指向要调整大小的内存空间、size表示调整后的内存空间大小。
  • free:释放动态申请的内存空间。

三、C++中动态内存管理方式

C++兼容C语言,所以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

malloc不方便解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题。
new是为了解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题。

3.1、new/delete操作符

在C++中,可以使用new来申请堆区内存空间,采用delete释放堆区内存空间。
new的使用语法为:

  • 申请单块内存空间不初始化:数据类型*ptr = new 数据类型
  • 申请数组空间不初始化:数据类型*ptr = new 数据类型[数据量]
  • 申请单块内存空间并初始化:数据类型 *ptr = new 数据类型 (初始化值)
  • 申请数组空间并初始化:数据类型 *ptr = new数据类型{初始化值1, 初始化值2, … }
    delete的使用语法为:
  • 释放单个内存空间:delete 指向动态开辟的内存区域的指针
  • 释放数组空间:delete[] 指向动态开辟的内存区域的指针 --其中[]就表示数组

3.1.2、new/delete操作内置类型

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
void test()
{//未初始化,结果是随机值int* ptr = new int;           //动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int[10];      //动态申请10个int类型的空间int(*ptr2)[3] = new int[2][3]; //(*ptr2)[3]为数组指针,存放3个一维数组。//初始化,对应数据int* ptr3 = new int(10);int* ptr4 = new int[3]{1,2,3};int(*ptr5)[3] = new int[2][3]{ {1,2,3},{4,5,6} };cout << *ptr << endl;cout << *ptr1 << endl;cout << **ptr2 << endl;cout << *ptr3 << endl;cout << *ptr4<< endl;cout << **ptr5 << endl;delete ptr;delete[] ptr1;delete[] ptr2;delete ptr3;delete[] ptr4;delete[] ptr5;
}
int main()
{test();return 0;
}

随机值是一样的,其实是编译器的一种优化。
在这里插入图片描述
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[],且必须匹配起来使用

3.1.3、new/delete操作自定义类型

C++动态内存管理和C语言动态内存管理最大的区别在于二者对于自定义类型的处理,C语言中malloc/calloc/realloc函数只负责开辟空间,free函数只负责释放空间,而C++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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(int vue=0):a(vue),next(nullptr){cout << "A():"<<this<< endl;};~A(){cout << "~A():"<<this<< endl;
}
private:int a;A* next;};
int main()
{//new的本质是开空间+调用构造函数初始化A* ptr = new A;A* ptr1 = new A(1);//创建A的对象A aa1(1);A aa2(2);A aa3(3);//有名对象A* ptr2 = new A[3]{aa1,aa2,aa3};//匿名对象A* ptr3 = new A[3]{A(1),A(2),A(3)};//直接给值A* ptr4 = new A[3]{1,2,3};//delete的本质是析构+释放空间delete ptr;delete ptr1;delete[] ptr2;delete[] ptr3;delete[] ptr4;return 0;
}

注意:
内置类型的对象在申请释放空间时,new和malloc除了用法有区别,别的没有区别。

3.2、认识operator new和operator delete函数

在C++中,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和operator delete 函数不是new 和delete的运算符重载,因为他们的参数没有自定义类型,而是库里实现的全局函数,只是取名为operator new和operator delete,不要被运算符重载所误导,这个需要我们进行单独的记忆;

C++底层operator new和operator delete的函数实现:

// operator new:
// 该函数实际通过malloc来申请空间,当malloc申请空间成功时直接返回;
// 申请空间失败尝试执行空间不足应对措施,如果用户设置了应对措施,则继续申请,否则抛异常。
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid* p;while ((p = malloc(size)) == 0)if (_callnewh(size) == 0){// report no memory// 如果申请内存失败了,这里会抛出bad_alloc 类型异常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}return (p);
}// operator delete:
// 该函数最终是通过free来释放空间的
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 headerpHead = pHdr(pUserData);// verify block type_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);  //此处调用free函数__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);  // release other threads__END_TRY_FINALLYreturn;
}// free的实现
#define  free(p)        _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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

下面我将通过具体的实例来解释这个现象:
通过查看反汇编来验证new和delete的底层调用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int* a = new int;delete a;int* a1 = new int[10];delete[] a1;return 0;
}

在这里插入图片描述

对于new[]和delete[]来说,他们调用operator new[]和operator delete[]函数来实现其功能,但是他们的底层也是调用operator new 和operator delete 函数。

C和C++开辟空间失败的区别
我们知道,不断开辟空间或者开辟一块很大的空间就可能造成空间开辟失败,C语言的开辟空间失败,失败返回的是一个空指针,所以我们可以通过检查指针是否为空来判断是否开辟成功,而C++是面向对象的语言,通常采用的是抛异常的方式(抛异常必须要捕获,不捕获就会出问题),符合面向对象处理错误的方式。
抛异常的捕获方式:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{try{//抛异常,遇到异常直接返回,它是可以跨函数得。// new失败 抛异常 -- 不需要检查返回值char* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << (void*)p1 << endl;char* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << (void*)p2 << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl; //what指发生了什么}return 0;
}

在这里插入图片描述

3.3、了解new和delete的实现原理

3.3.1、内置类型

如果申请的是内置类型的空间,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,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。

3.3.2、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

3.3.3、new和delete的实现原理

new/delete的底层是通过调用operator new和operator delete来实现的。

  • new的实现原理:(1)调用operator new申请内存空间 (2)调用自定义类型的构造函数
  • delete的实现原理:(1)调用自定义类型的析构函数 (2)调用operator delete释放内存空间
  • new[]的实现原理:(1)调用operator new[]申请空间 (2)调用自定义类型的构造函数
  • delete[]的实现原理:(1)调用自定义类型的析构函数 (2)调用operator delete[]释放空间
    在这里插入图片描述

3.4、学习定位new(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。
内存池
内存池(Memory Pool)是一种动态内存分配与管理技术,通常情况下,程序员习惯直接使用new,delete,malloc,free等API申请和释放内存,这样导致的后果就是:当程序运行的时间很长的时候,由于所申请的内存块的大小不定,频繁使用时会造成大量的内存碎片从而降低程序和操作系统的性能
内存池则是在真正使用内存之前,先申请分配一大块内存(内存池)留作备用。当程序员申请内存时,从池中取出一块动态分配,当程序员释放时,将释放的内存放回到池内,再次申请,就可以从池里取出来使用,并尽量与周边的空闲内存块合并。若内存池不够时,则自动扩大内存池,从操作系统中申请更大的内存池。

使用operator new申请动态内存空间,不会调用自定义类型的构造函数。但是有时候我们希望在operator new函数申请的空间上调用构造函数,可构造函数却不支持直接显式调用,这是就需要用到定位new来实现。
定位new使用语法:new(指向动态开辟的内存空间的指针)类名(传给构造函数的参数)
虽然构造函数不能显示调用,但是析构函数可以显示调用。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:A(int a1 = 1, int a2 = 2, double a3 = 2.2): _a1(a1), _a2(a2), _a3(a3){cout << " A(int a1 = "<<_a1<<" int a2 = "<<_a2 <<" double a3 ="<<_a3 << endl;}~A(){cout << "~A()" <<endl;}private:int _a1;int _a2;double _a3;
};int main()
{A* pa1 = nullptr;A* pa2 = nullptr;try{pa1 = (A*)operator new(sizeof(A));pa2 = (A*)operator new(sizeof(A));}catch (const std::exception& e){cout << e.what() << endl;}//用定位new来显示调用构造函数new(pa1)A(1, 2, 3.3);new(pa2)A(2, 3, 4.4);//可以显示调用析构函数(*pa1).~A();pa2->~A();operator delete(pa1);operator delete(pa2);return 0;
}

在这里插入图片描述

四、动态内存管理常规面试题

4.1 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,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

4.2 内存泄漏

如果申请了动态内存空间却不手动释放,就会造成内存泄漏。

4.2.1什么是内存泄漏,内存泄漏的危害

  • 动态申请内存空间,不使用了,但却没有释放,就存在内存泄漏,使可用内存越来越少。
  • 对于正常结束的进程,进程结束时泄漏掉的内存会自动还给系统,不会有太大危害。
    对于非正常结束的进程,如僵尸进程,以及需要长期运行的程序,如服务器程序,出现内存泄漏的危害就很大,系统会变得越来越慢,甚至卡死宕机
    所以,动态申请的内存空间一定要记得释放!释放动态内存使用的函数(操作符)一定要与申请动态内存时用的函数(操作符)匹配:malloc–free、new-- delete、new[] – delete[]。

4.2.2 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:

1.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。

2.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。

4.2.3 如何检测内存泄漏

在vs下,可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks()函数进行简单检测,该函数只报出了大概泄漏了多少个字节,没有其他更准确的位置信息。

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:VHD工具说明
其他工具:内存泄漏工具比较

4.2.4 如何避免内存泄漏

  • 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。
  • 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
  • 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。
  • 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]
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


http://www.ppmy.cn/news/1268907.html

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