前言

我們最初熟知的內(nèi)存開辟方式：

• int val = 20： 在棧空間上開辟4個字節(jié)
• char array[10]： 在?？臻g上開辟10個字節(jié)的連續(xù)空間

上述開辟空間的方式有兩個特點(diǎn)：

• 空間開辟大小是固定的。
• 數(shù)組在申明的時(shí)候，必須指定數(shù)組的長度，它所需要的內(nèi)存在編譯時(shí)分配。

但是對于空間的需求，不僅僅是上述的情況，有時(shí)候我們需要的空大小在程序運(yùn)行時(shí)才能知道，那此時(shí)靜態(tài)的開辟空間的方式就不能滿足了，我們這時(shí)候只能試試動態(tài)內(nèi)存開辟。

這篇博客就來帶大家梳理一下C/C++中的內(nèi)存管理。

一：C/C++內(nèi)存分布

對內(nèi)存分段是計(jì)算機(jī)的管理機(jī)制

1.棧又叫堆棧，存放非靜態(tài)局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回值等等，棧是向下增長的。，處理器的指令集中、效率高，但是分配內(nèi)存的容量有限。（函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后這些存儲單元自動釋放）
2.內(nèi)存映射段是高效的IO映射方式，用于裝載一個共享的動態(tài)內(nèi)存庫。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享共享內(nèi)存，做進(jìn)程間通信。
3.堆用于程序運(yùn)行時(shí)動態(tài)內(nèi)存分配，堆是向上增長的。（一般由人為分配釋放，若沒有人為釋放則程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收。）
4.數(shù)據(jù)段存儲全局?jǐn)?shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)。（程序結(jié)束后由系統(tǒng)自動釋放）
5.代碼段存儲可執(zhí)行的代碼、只讀常量。

注意：
棧區(qū)向下生長，先開辟的空間地址大于后開辟的空間地址。（int a = 10，int b = 20，&a>&b）
堆區(qū)向上生長，但是不保證后開辟的空間地址大于先開辟的空間地址，因?yàn)槎褏^(qū)存在人為的空間釋放。

二：C語言中的內(nèi)存管理方式

C語言提供了動態(tài)內(nèi)存函數(shù)來進(jìn)行內(nèi)存的動態(tài)開辟工作：malloc、calloc、realloc、free

2.1 malloc

函數(shù)功能

void✳ malloc（size_t size以字節(jié)為單位的空間大?。?/p>

舉個栗子：int* ptr = (int*) malloc(sizeof(int)*10);

malloc向內(nèi)存申請一塊大小為size的連續(xù)可用空間，并返回指向這塊空間的指針。

函數(shù)特性
1.開辟成功，返回一個指向該空間的指針。
2.開辟失敗，返回一個NULL指針，因此malloc的返回值一定要做檢查。
3.返回值的類型是void✳，malloc函數(shù)并不知道開辟空間的數(shù)據(jù)類型，具體在使用的時(shí)候由使用者自己決定。
4.如果參數(shù)size為0，malloc的行為是標(biāo)準(zhǔn)未定義的，取決于編譯器。

2.2 calloc

函數(shù)功能

void✳ calloc（size_t num元素個數(shù)，size_t size以字節(jié)為單位的空間大?。?/p>

舉個栗子：int* ptr = calloc(10，sizeof(int));

calloc向內(nèi)存為num個大小為size的元素開辟一塊連續(xù)空間，并且把空間的每個字節(jié)都初始化為0。

函數(shù)特性
1.開辟成功，返回一個指向該空間的指針。
2.開辟失敗，返回一個NULL指針，因此calloc的返回值一定要做檢查。
3.返回值的類型是void✳，calloc函數(shù)并不知道開辟空間的數(shù)據(jù)類型，具體在使用的時(shí)候由使用者自己決定。
4.calloc會在返回地址之前把申請的空間每個字節(jié)都初始化為0（calloc適用于對申請空間的內(nèi)容要求初始化的情況）

注意：對申請的空間初始化并不完全是好的事情，當(dāng)我們要申請一個特別大的空間時(shí)，初始化會浪費(fèi)很多很多的時(shí)間。

2.3 realloc

函數(shù)功能

void✳ realloc（void✳ ptr要調(diào)整的內(nèi)存地址，size_t size調(diào)整之后的空間大?。?/p>

舉個栗子：int* p = NULL; p = realloc（ptr，1000）; if（p！=NULL）-> ptr = p;

realloc可以對動態(tài)開辟的內(nèi)存空間大小進(jìn)行靈活調(diào)整。

函數(shù)特性

1.返回值為調(diào)整之后內(nèi)存空間的起始位置。
2.realloc在調(diào)整原內(nèi)存空間大小的基礎(chǔ)上，還會將原內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù)移動到新的空間。

realloc在調(diào)整內(nèi)存空間時(shí)存在的兩種情況
情況一：原有空間之后有足夠大的空間

直接在原有內(nèi)存空間之后追加空間，原來空間的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化

情況二：原有空間之后沒有足夠大的空間

在堆空間上重新找一塊合適大小的連續(xù)空間來使用，這樣函數(shù)返回的是一個新的內(nèi)存地址。

常見的動態(tài)內(nèi)存錯誤

1、對NULL指針的解引用操作。

2、對動態(tài)開辟空間越界訪問。

3、對非動態(tài)內(nèi)存使用free釋放。

4、釋放一塊動態(tài)開辟內(nèi)存的一部分。

5、對同一塊內(nèi)存多次釋放。

6、動態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放。

以上的錯誤都是十分常見的，因此我們在對內(nèi)存進(jìn)行操作的時(shí)候一定要萬分小心。

典型內(nèi)存泄漏的例子

int main(){
 int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
 p = (int*)malloc(sizeof(int));
 free(p);  
 p = NULL;
}

這個例子中我們明明進(jìn)行了釋放卻也造成了內(nèi)存泄漏，這是因?yàn)槲覀兩暾埩藘纱蝺?nèi)存空間，但是用同一個指針來接收，只釋放了一次，因此造成了內(nèi)存的泄漏。

進(jìn)行動態(tài)的內(nèi)存分配后一定不能忘記在使用完畢后將內(nèi)存空間釋放，并且將指針賦值為NULL，這一點(diǎn)是十分關(guān)鍵的，否則將造成內(nèi)存泄漏和野指針，對程序造成很大的影響。

三：C++中的內(nèi)存管理方式

C語言內(nèi)存管理方式在C++中可以繼續(xù)使用，但有些地方就無能為力而且使用起來比較麻煩，因此C++又提出了自己的內(nèi)存管理方式：通過new和delete操作符進(jìn)行動態(tài)內(nèi)存管理

在C++中我們使用new進(jìn)行內(nèi)存的申請，用delete進(jìn)行內(nèi)存的釋放。

3.1 內(nèi)置類型的內(nèi)存分配與釋放

new和malloc一樣會在堆上開辟空間同時(shí)需要我們手動進(jìn)行內(nèi)存的釋放，但是new的寫法更加簡單易于理解同時(shí)我們還可以對單個申請的變量進(jìn)行初始化。

舉個栗子幫助理解

#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
 int* a = new int;//等同于int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
 int* b = new int[10];//等同于int* b = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
 int* c = new int(10);//new還可以進(jìn)行內(nèi)置類型的初始化
 cout << *c << endl;
  
 delete a;//等同于free(a);
 delete[] b;//等同于free(b);（對于多個變量的空間釋放要用delete[]）
 delete c;//等同于free(c);
 
 return 0;              
}

3.2 自定義類型的內(nèi)存分配和釋放

針對自定義類型的內(nèi)存分配和釋放，new不但可以在分配內(nèi)存的時(shí)候手動調(diào)用指定的構(gòu)造函數(shù)還會在分配多個對象的空間時(shí)自動調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，delete也會自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc和free卻做不到這一點(diǎn)。因此可以理解為malloc和free分配出來的只不過是一個和類一樣大小的空間，并不能稱作是一個對象，而new和delete分配出來的才能被成為對象。

#include <iostream>                 
#include <stdlib.h> 
using namespace std;              
class Stu{                          
public:        
 Stu(){         
   cout << "default building" << endl;
  }
        
  Stu(int num, string name):_num(num), _name(name){        
   cout << "custom building" << endl;
  }
         
  ~Stu(){                
   cout << "destroying" << endl;
  }
private:
 int _num;
 string _name;    
};
       
int main(){     
 cout << "malloc:" << endl;
 Stu* a = (Stu*)malloc(sizeof(Stu));
 cout << "new:" << endl;
 Stu* b = new Stu(1, "張三");
 cout << "malloc:" << endl;
 Stu* c = (Stu*)malloc(sizeof(Stu) * 5);
 cout << "new:" << endl;
 Stu* d = new Stu[5];
 cout << "free:" << endl;
 free(a);
 cout << "delete:" << endl;
 delete b;
 cout << "free:" << endl;
 free(c);
 cout << "delete:" << endl;
 delete[] d;
}       

運(yùn)行結(jié)果：

 malloc:
 new:
 custom building
 malloc:
 new:
 default building
 default building
 default building
 default building
 default building
 free:
 delete:
 destroying
 free:
 delete:
 destroying
 destroying
 destroying
 destroying
 destroying

3.3 new和delete的實(shí)現(xiàn)原理

new和delete在C++中其實(shí)被定義為兩個運(yùn)算符，我們在使用這兩個運(yùn)算符的時(shí)候它會在底層調(diào)用全局函數(shù)operator new和operator delete。

operator new

operator new在底層實(shí)現(xiàn)的源代碼

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc){
 // try to allocate size bytes
 void *p;
 while ((p = malloc(size)) == 0)
 if (_callnewh(size) == 0){
 // report no memory
 // 如果申請內(nèi)存失敗了，這里會拋出bad_alloc 類型異常
 static const std::bad_alloc nomem;
 _RAISE(nomem);
 }
 return (p);
}

operator delete

operator delete在底層實(shí)現(xiàn)的源代碼

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;
}

從源碼中能看出的是operator new和operator delete在底層也是利用malloc和free分配內(nèi)存的，因此可以說new和delete不過是malloc和free的一層封裝。

針對內(nèi)置類型

如果申請的是內(nèi)置類型的空間，new和malloc，delete和free基本類似，不同的地方是：new/delete申請和釋放的是單個元素的空間，new[]和delete[]申請的是連續(xù)空間，而且new在申請空間失敗時(shí)會拋異常，malloc會返回NULL。

針對自定義類型

1.new的原理： 調(diào)用operator new申請空間，調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成初始化。
2.delete的原理： 調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成清理，調(diào)用operator delete釋放空間。

四：經(jīng)典面試題

new | delete和malloc | free的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

相同點(diǎn)：
new、delete、malloc、free都是從堆上開辟空間，并且需要用戶手動釋放。

不同點(diǎn)：
1.new和delete是操作符，malloc和free是函數(shù)。

2.malloc申請空間不會進(jìn)行初始化，new申請空間可以初始化。

3.malloc申請空間失敗返回NULL，new申請空間失敗會拋出異常。

4.針對自定義類型，new和delete會自動調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)處理。

五：內(nèi)存泄漏

概念：內(nèi)存泄漏指因?yàn)槭韬龌蝈e誤造成程序已經(jīng)不再使用的內(nèi)存沒有被釋放的情況。

危害：長期運(yùn)行的程序出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，會浪費(fèi)空間，如操作系統(tǒng)、后臺服務(wù)等等，出現(xiàn)內(nèi)存泄漏會
導(dǎo)致響應(yīng)越來越慢，最終卡死。

舉個栗子幫助理解：

void MemoryLeaks(){
 // 1.內(nèi)存申請了忘記釋放
 int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
 int* p2 = new int;
 
 // 2.異常安全問題
 int* p3 = new int[10];
 Func(); // 這里Func函數(shù)拋異常導(dǎo)致 delete[] p3未執(zhí)行，p3沒被釋放.
 delete[] p3;
}

5.1 內(nèi)存泄漏的分類

堆內(nèi)存泄漏

程序執(zhí)行中依據(jù)須要分配通過malloc / calloc / realloc / new等從堆中分配的一塊內(nèi)存，
用完后必須通過調(diào)用相應(yīng)的 free或者delete 刪掉。假設(shè)程序的設(shè)計(jì)錯誤導(dǎo)致這部分內(nèi)存沒有被釋放，那么以后這部分空間將無法再被使用，就會產(chǎn)生堆內(nèi)存泄漏。

系統(tǒng)資源泄漏

程序使用系統(tǒng)分配的資源，比方套接字、文件描述符、管道等沒有使用對應(yīng)的函數(shù)釋放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)
資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重可導(dǎo)致系統(tǒng)效能減少，系統(tǒng)執(zhí)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生了系統(tǒng)資源泄露。

5.2 如何檢測內(nèi)存泄露

在linux下內(nèi)存泄漏檢測
valgrind、mtrace、dmalloc、memwatch、mpatrol、dbgmem、Electric Fence

在windows下內(nèi)存泄漏檢測
VLD

5.3 如何避免內(nèi)存泄漏

1.工程前期良好的設(shè)計(jì)規(guī)范，養(yǎng)成良好的編碼規(guī)范，申請的內(nèi)存空間記著匹配的去釋放。

2.采用RAII思想或者智能指針來管理資源。

5.4 如何在堆上一次申請4G空間

原因：申請失敗一般是因?yàn)檫M(jìn)程地址空間不夠大。

解決辦法：換用64位的進(jìn)程地址空間。

到此這篇關(guān)于C/C++中的內(nèi)存管理小結(jié)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 內(nèi)存管理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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