C/C++深入講解內(nèi)存管理
C/C++內(nèi)存分布
??首先我們來(lái)看一看以下代碼中變量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。
c/c++內(nèi)存分配圖：
1.棧又叫做堆棧，存儲(chǔ)非靜態(tài)局部變量/函數(shù)參數(shù)/返回值等等，棧是向下增長(zhǎng)的。
2.內(nèi)存映射段是高效的I/O映射方式，用于裝載一個(gè)共享的動(dòng)態(tài)內(nèi)存庫(kù)。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享內(nèi)存，做進(jìn)程間通信。
3.堆用于程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，堆上可以向上增長(zhǎng)的。
4.數(shù)據(jù)段 - 用于存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。
5.代碼段 - 可執(zhí)行的代碼/只讀常量。
C語(yǔ)言中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理
malloc/calloc/realloc/free
int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
free(p1);
free(p2);
free(p3);
return 0;
}
malloc/calloc/realloc的區(qū)別？
malloc - 堆上動(dòng)態(tài)開(kāi)辟空間
realloc - 堆上動(dòng)態(tài)開(kāi)辟空間 + 初始化為0 （相當(dāng)于malloc + memset）
calloc - 針對(duì)已經(jīng)有的空間進(jìn)行擴(kuò)容 （原地?cái)U(kuò)容或異地?cái)U(kuò)容）
C++的內(nèi)存管理
??C語(yǔ)言的內(nèi)存管理方式在c++中可以繼續(xù)使用，但是有些地方使用起來(lái)就比較麻煩了。因此c++提供了自己的內(nèi)存管理方式：通過(guò)new和delete操作符進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理。 new和delete是運(yùn)算符，不是函數(shù)，因此執(zhí)行效率高。
new和delete操作內(nèi)置類(lèi)型：:
int main()
{
// new/delete和malloc/free 針對(duì)內(nèi)置類(lèi)型沒(méi)有任何差別，只是用法不同
//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類(lèi)型的空間
int* p1 = new int;
delete p1;
//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類(lèi)型的空間并初始化為10
int* p2 = new int(10);
delete p2;
//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類(lèi)型的空間
int* p3 = new int[10];
delete[] p3;
return 0;
}
注意:申請(qǐng)和釋放單個(gè)元素的空間，使用new和delete操作符，申請(qǐng)和釋放連續(xù)的空間，使用new[]和delete[]。
new和delete操作自定義類(lèi)型：:
注意： 在申請(qǐng)自定義類(lèi)型的空間時(shí)，new會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，delete會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc和free不會(huì)。
??對(duì)于以上總結(jié)一下：
1.c++中如果是申請(qǐng)內(nèi)置類(lèi)型對(duì)象或者數(shù)組，malloc和new沒(méi)有什么區(qū)別。
2.如果是自定義類(lèi)型，那么區(qū)別很大，new和delete是開(kāi)空間 + 初始化，析構(gòu)清理 + 釋放空間，malloc和free僅僅是開(kāi)空間 + 釋放空間。
3.建議在c++中，無(wú)論是自定義類(lèi)型還是內(nèi)置類(lèi)型的申請(qǐng)和釋放，盡量使用new和delete。
operator new與operator delete函數(shù)
new和delete是用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的操作符，operator new和 operator delete是系統(tǒng)提供的全局函數(shù)，new在底層調(diào)用operator new 全局函數(shù)來(lái)申請(qǐng)空間，delete在底層提供operator delete全局函數(shù)來(lái)釋放空間。
如下是c++官方對(duì)于這兩個(gè)函數(shù)的描述：
operator new和operator delete的實(shí)現(xiàn)代碼：
/*
operator new：該函數(shù)實(shí)際通過(guò)malloc來(lái)申請(qǐng)空間，當(dāng)malloc申請(qǐng)空間成功時(shí)直接返回；申請(qǐng)空間失敗，
嘗試執(zhí)行空間不足應(yīng)對(duì)措施，如果改應(yīng)對(duì)措施用戶設(shè)置了，則繼續(xù)申請(qǐng)，否則拋異常。
*/
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(qǐng)內(nèi)存失敗了，這里會(huì)拋出bad_alloc 類(lèi)型異常
static const std::bad_alloc nomem;
_RAISE(nomem);
}
return (p);
}
/*
operator delete: 該函數(shù)最終是通過(guò)free來(lái)釋放空間的
*/
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的實(shí)現(xiàn)
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
通過(guò)上訴兩個(gè)全局函數(shù)的實(shí)現(xiàn)代碼可以看出，operator new實(shí)際上是通過(guò)malloc來(lái)申請(qǐng)空間的，如果malloc申請(qǐng)空間成功就直接返回，否則執(zhí)行用戶提供的空間不足的應(yīng)對(duì),如果用戶提供該措施就繼續(xù)申請(qǐng)，否則就拋異常。operator delete最終是通過(guò)free來(lái)釋放空間的。
operator new的使用案例：
struct ListNode
{
ListNode(int data = 0)
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(data)
{}
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _data;
};
//operator new的用法跟malloc和free是一樣的，都是在堆上申請(qǐng)空間
//只是申請(qǐng)空間失敗后的處理方式不一樣，malloc失敗返回NULL,operator new失敗以后拋異常
int main()
{
//C語(yǔ)言
ListNode* p1 = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
free(p1);
//c++
ListNode* p2 = (ListNode*)operator new(sizeof(ListNode));
operator delete(p2);
int* p3 = (int*)malloc(100000000000000000);
if (p3 == NULL)
{
cout << "malloc fail" << endl;
}
try
{
int* p4 = (int*)operator new(100000000000000000);
}
//開(kāi)辟空間失敗，捕獲異常信息
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
operator delete的使用案例：
class A
{
public:
A(int a = 0)
{
cout << "A()" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//c語(yǔ)言 -> A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
//等價(jià)于直接用 A* p = new A;
A* p = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p)A; // new(p)A(2); 定位new，placement-new,顯示調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化這塊空間對(duì)象
//等價(jià)于 delete p
p->~A(); //析構(gòu)函數(shù)可以顯示調(diào)用
operator delete(p);
return 0;
}
operator new與operator delete的類(lèi)專屬重載
內(nèi)存池：內(nèi)存池的主要作用是提高效率。通過(guò)一次性申請(qǐng)比較大的空間，來(lái)避免小空間內(nèi)存的頻繁申請(qǐng)和釋放，每次需要為對(duì)象分配內(nèi)存空間時(shí)，在已經(jīng)申請(qǐng)好的大的空間內(nèi)分配?？臻e區(qū)被按照對(duì)象大小劃分為若干塊，每個(gè)塊之間通過(guò)鏈表連接起來(lái)。
??以下代碼演示了，針對(duì)鏈表的節(jié)點(diǎn)ListNode通過(guò)重載類(lèi)專屬 operator new / operator delete ，實(shí)現(xiàn)鏈表節(jié)點(diǎn)使用內(nèi)存池申請(qǐng)和釋放內(nèi)存，提高效率。
struct ListNode
{
void* operator new(size_t n)
{
void* p = nullptr;
p = allocator<ListNode>().allocate(1);
cout << "memory pool allocate" << endl;
return p;
}
void operator delete(void* p)
{
allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
cout << "memory pool deallocate" << endl;
}
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _data;
};
class List
{
public:
List()
{
_head = new ListNode();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
~List()
{
ListNode* cur = _head->_next;
while (cur != _head)
{
ListNode* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
delete _head;
_head = nullptr;
}
private:
ListNode* _head;
};
int main()
{
List h;
return 0;
}
new和delete的實(shí)現(xiàn)原理
內(nèi)置類(lèi)型：
若申請(qǐng)的是內(nèi)置類(lèi)型的空間，new和malloc，delete和free基本相似。new/delete 申請(qǐng)和釋放的是單個(gè)元素的空間，new[]和delete[]申請(qǐng)的是連續(xù)空間。new在空間申請(qǐng)失敗時(shí)會(huì)拋異常，malloc申請(qǐng)空間失敗則返回NULL。
自定義類(lèi)型：
new:
- 調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間。
- 在申請(qǐng)的空間調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的構(gòu)造。
delete:
- 在空間上調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象中資源清理的工作。
- 調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對(duì)象的空間。
new arr[N]:
- 調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中實(shí)際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的申請(qǐng)。
- 在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)。
delete []:
- 在釋放的空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個(gè)對(duì)象中資源的清理。
- 調(diào)用operator delete[]釋放空間，在operator delete[]中調(diào)用operator delete來(lái)釋放空間。
定位new表達(dá)式(placement-new)
??一般來(lái)說(shuō)，使用new申請(qǐng)空間時(shí)，是從系統(tǒng)堆上分配空間。申請(qǐng)所得的空間位置是根據(jù)當(dāng)時(shí)的內(nèi)存使用的實(shí)際情況來(lái)決定。但在某些特殊情況下，可能需要在已分配的特定內(nèi)存創(chuàng)建對(duì)象，這就是所說(shuō)的定位new(placement - new)。
??默認(rèn)情況下，如果new不能分配所需要的內(nèi)存空間，那么它會(huì)拋出一個(gè)類(lèi)型為bad_alloc的異常。我們可以改變使用new的方式來(lái)阻止其拋出異常：
//如果申請(qǐng)失敗，new會(huì)返回一個(gè)空指針（NULL） int* p1 = new int; //如果分配空間失敗，new會(huì)拋出std::bad_alloc int* p2 = new (nothrow) int; //如果分配空間失敗，new返回一個(gè)空指針
這種形式的new我們就稱為定位new。
定位new表達(dá)式允許我們向new傳遞額外的參數(shù)。如上的nothrow。將nothrow傳給new，即不能拋出異常。如果這種形式的new不能分配所需內(nèi)存，那么它會(huì)返回一個(gè)空指針。
malloc/free和new/delete的區(qū)別
1.相同點(diǎn)：它們都是堆上申請(qǐng)空間并且手動(dòng)釋放。
2.malloc和free是函數(shù)，new和delete是操作符。
3.malloc申請(qǐng)的空間不初始化，new申請(qǐng)的空間可以初始化。
4.malloc申請(qǐng)空間時(shí)需要計(jì)算所需空間的大小并且傳遞，new申請(qǐng)空間時(shí)只需在其后加上空間類(lèi)型即可。
5.malloc的返回值為void*，在使用時(shí)必須強(qiáng)轉(zhuǎn)，new不需要，因?yàn)閚ew后跟的是空間的類(lèi)型。
6.malloc申請(qǐng)空間失敗時(shí)返回NULL,使用時(shí)需要判空，而new不需要判空，但是new需要捕獲異常。
7.申請(qǐng)自定義類(lèi)型對(duì)象時(shí)，malloc/free只會(huì)開(kāi)辟空間，不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)處理空間，但new在申請(qǐng)空間后會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對(duì)象的初始化，delete在釋放空間前后調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理。
內(nèi)存泄漏及其危害
內(nèi)存泄漏(Memory Leak) 是指程序中已動(dòng)態(tài)分配的堆內(nèi)存由于某種原因?qū)е鲁绦蛭瘁尫呕蛘邿o(wú)法釋放，造成系統(tǒng)內(nèi)存的浪費(fèi)，導(dǎo)致程序運(yùn)行速度減慢甚至系統(tǒng)崩潰等嚴(yán)重后果。內(nèi)存泄漏并不是指內(nèi)存在物理上的消失，而是應(yīng)用程序分配某段內(nèi)存后，因?yàn)殄e(cuò)誤設(shè)計(jì)，失去了對(duì)該段內(nèi)存的控制。
??內(nèi)存泄漏的危害：長(zhǎng)期運(yùn)行的程序出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，影響很大，如操作系統(tǒng)、后臺(tái)服務(wù)等等，出現(xiàn)內(nèi)存泄漏會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)越來(lái)越慢，最終卡死。
??常見(jiàn)的導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的原因：
??c/c++程序中我們比較關(guān)心的兩種內(nèi)存泄漏：
1.堆內(nèi)存泄漏(Heap Leak)
堆內(nèi)存指程序執(zhí)行中需要通過(guò)malloc、realloc、realloc、new等從堆中分配內(nèi)存，用完后需通過(guò)調(diào)用free或者delete釋放。若程序的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致這一部分內(nèi)存沒(méi)有被釋放掉，那么之后這塊空間將無(wú)法繼續(xù)使用，就會(huì)發(fā)生堆內(nèi)存泄漏。
2.系統(tǒng)資源泄漏
指程序使用系統(tǒng)分配的資源，比方套接字、文件描述符、管道等沒(méi)有使用對(duì)于的函數(shù)釋放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，嚴(yán)重則可導(dǎo)致系統(tǒng)的效能減少，系統(tǒng)執(zhí)行不穩(wěn)等。
??如何避免內(nèi)存泄漏：
1.工程前期設(shè)計(jì)規(guī)范，養(yǎng)成良好的編碼習(xí)慣。
2.提前預(yù)防。如智能指針等。
3.內(nèi)存泄漏工具的使用。（很多工具不靠譜，且收費(fèi)昂貴）
??內(nèi)存泄漏檢測(cè)工具：（來(lái)自百度百科）
到此這篇關(guān)于C/C++深入講解內(nèi)存管理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++內(nèi)存管理內(nèi)容請(qǐng)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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