【C++那些事儿】C++内存管理 | new和delete的底层原理 | operator new与operator delete函数 | 你听说过定位new吗？| 内存泄露

03-21 1799阅读

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文章目录

1. C/C++内存分布
2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

【面试题】

malloc的实现原理？
3. C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型
3.2 new和delete操作自定义类型
4. operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）
5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型
5.2 自定义类型
6. 定位new表达式(placement-new)

内存池简介
7. 常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别
7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

7.2.2 内存泄漏分类

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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(静态区)  D.代码段(常量区)
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__
2. 填空题：
sizeof(num1) = __40__;
sizeof(char2) = __5__;      strlen(char2) = __4__;
sizeof(pChar3) = __4 or 8__;     strlen(pChar3) = __4__;
sizeof(ptr1) = __4 or 8__;
3. sizeof 和 strlen 区别？
sizeof 是运算符，它用于获取类型或对象在内存中的大小，
其操作数可以是一个类型、一个对象或一个类型的表达式。
strlen 是一个函数，它用于获取字符串（即以空字符 '\0' 结尾的字符数组）的长度。
它返回的是字符串中字符的个数，不包括结尾的空字符。

【说明】

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。

2. 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？
	free(p3);
}

malloc/calloc/realloc的区别是什么？
malloc 主要是在堆上申请一块连续的内存空间，calloc 相对于 malloc 来说还会对申请的空间初始化为 0，realloc 则是对已经申请的空间进行扩容操作，分为原地扩容和异地扩容两种情况。
这里需要free(p2)吗？
不需要，因为如果 realloc 是原地扩容的话，那么p3指向的空间就是p2指向的空间，如果是异地扩容的话，p2在扩容时就会被释放。

【面试题】

malloc的实现原理？

glibc中malloc实现原理

malloc的实现原理涉及操作系统的内存管理，并且通常在不同的操作系统和平台上有所不同。但是，一般来说，它的工作原理大致如下：

查找空闲内存块：当malloc被调用时，它会首先查找一个足够大的空闲内存块来满足请求。这个查找过程通常涉及一个数据结构（如链表或树），该数据结构记录了系统中所有可用的内存块。
分割空闲内存块：如果找到了一个足够大的空闲内存块，malloc会将其分割成两部分：一部分用于满足当前的内存请求，另一部分（如果有的话）作为新的空闲内存块保留。
更新内存管理数据结构：malloc会更新其内部的数据结构，以反映新的内存分配情况。这可能包括添加新的空闲内存块，更新已分配内存块的信息，或删除不再需要的空闲内存块。
返回内存地址：最后，malloc返回指向新分配的内存块的指针。这个指针可以被程序用来存储数据。

3. 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。

3.1 new/delete操作内置类型

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

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout 
		cout 
	// 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));
	A* p2 = new A(1); 
	free(p1); 
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

	// try to allocate size bytes
	void* 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 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;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout 
		cout 
	// 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;
}

	// 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;
}

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