【C++】动态内存管理（79分钟写的文章哪里看不懂了，快来学）

栈：又叫堆栈，用于存储非静态局部变量、函数参数以及函数返回值等等，栈是向下增长的（栈帧就像是一次性水杯）

堆：用于程序运行时进行动态内存分配，堆是向上增长的

数据段 (静态区)：Linux 中通常叫作数据段，用于存储存储全局数据和静态数据（静态区不只是有静态变量）

代码段 (常量区)：Linux 中通常叫作代码段，用于存储可执行的代码指令和只读常量

在学习了C/C++内存区域的划分后，我们来做几道题巩固一下：

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？

分析：上半区比较简单，前面加static和全局的都在静态区，在函数中开辟的且没有static的都是栈

下半区是难点，请好好观察我下面画的图：

可以看出，char2 pChar3 ptr1由于都在Test中，所以他们地址的空间开在了栈帧，但是他们的内容在哪里，取决于类型和开辟方式：对于char2来说，只是普通开辟，所以对象也在栈；对于pChar3来说，类型前有const，它是一个指针，指向代码段的 “abcd”，所以 *pchar3 在代码段；对于*ptr1来说，开辟方式是在堆区开辟，所以*ptr1的数据就是在堆区

2. 填空题：
sizeof(num1) = ;
sizeof(char2) = ; strlen(char2) = ;
sizeof(pChar3) = ; strlen(pChar3) = ;
sizeof(ptr1) = ;

sizeof是操作符/关键字，后面可以不加括号，而直接跟类型

另外，sizeof计算的是变量所占空间的字节数；

而strlen是函数，调用必须加括号，且strlen计算的是字符串中字符的个数(不包括'\0')

对于sizeof指针而言，指针就是地址，所以32位和64位的大小不一样，所以是4/8

二、C语言动态内存管理方式

在C语言中我们使用 malloc/calloc/realloc/free 函数来进行动态内存管理：

malloc：

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (p1 == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

这里检查空是因为编译器不严谨，所以得加上判断，而且开辟失败的时候，malloc返回的是空指针，所以可以这样检查

calloc：

int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	if (p2 == NULL)
	{
		perror("calloc fail");
		exit(-1);
	}

realloc：

int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	if (p3 == NULL)
	{
		perror("realloc fail");
		exit(-1);
	}

free：

free(p1);
free(p3);

面试题：malloc/calloc/realloc的区别？

malloc 用于开辟一块动态内存，使用时需要指定开辟的空间大小 (字节)，如果开辟成功返回空间的起始地址，如果开辟失败返回 NULL，且不会初始化（所以new就出现了）

calloc 的用法和 malloc 类似，只是它有两个参数，第一个参数为元素个数，第二个参数为每个元素的大小，并且它会将该空间中的数据全部初始化为0；

realloc 用于空间的扩容/缩容，它有两个参数，第一个参数为需要调整的动态内存的起始地址，第二个参数为调整后的空间大小，如果第一个参数为 NULL，则它等价于 malloc；如果扩容，编译器会检查原空间后是否有足够的空间，如果足够，就直接扩容并返回原空间的起始地址，如果不够，就新开辟一块空间，然后将原空间的数据拷贝到新空间并返回新空间的地址，最后再释放原空间；如果缩容，编译器会直接新开辟一块空间，然后拷贝原空间数据到新空间并返回新空间的地址，再释放原空间。

三、C++动态内存管理方式（operator new/delete+构造/析构）

C++兼容C语言，所以C语言的内存管理方式在C++中可以继续使用，但由于其而且使用起来比较麻烦且有些地方无能为力，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

3.1new/delete 操作内置类型

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[] 申请的是连续的空间，而且 new 在申请空间失败时会抛异常，而 malloc 申请失败则是会返回 NULL

如果你忘了什么是内置类型，那么请看从构造函数开始看

对于内置类型，C语言和C++内存管理方式没有明显区别，只是C++中使用 new 操作符来替代C语言中的 malloc/calloc 函数，使用 delete 操作符来替代 free 函数；

同时，由于 new 和 delete 是操作符/关键字，而不是函数，所以它们后面不需要跟括号，而是直接跟类型即可；另外，new 可以在开辟空间的同时进行初始化（在构造函数的基础上）

注：C++不支持扩容，要扩容都是自己开辟新空间、拷贝数据，然后再销毁原空间

void Test()
{
	//申请单个空间不初始化
	int* p1 = new int;

	//申请单个空间并初始化
	int* p2 = new int(10);

	//申请连续空间不初始化
	int* p3 = new int[10];

	//申请连续空间并初始化
	int* p4 = new int[10]{ 1,2,3,4,5 };

	//释放单个空间
	delete p1;
	delete p2;

	//释放多个空间
	delete[] p3;
	delete[] p4;
}

所以管理对象和管理对象数组还是有所差异滴：

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[]，注意二者一定要匹配使用，即不能用 delete 来释放 new[] 开辟的空间

3.2new/delete 操作自定义类型

new 的原理：

调用 operator new 函数申请空间；
在申请的空间上调用构造函数，完成对象的初始化；

delete 的原理：

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作；
调用 operator delete 函数释放对象的空间；

new T[N] 的原理：

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；
在申请的空间上调用N次构造函数；

delete[] 的原理：

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；
调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用operator delete来释放空间；

C++动态内存管理和C语言动态内存管理最大的不同在于二者对自定义类型的处理：C语言 malloc/calloc/realloc 函数只负责开辟空间，free 函数只负责销毁空间；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


class A
{
public:
A (int a=0 ):_a(a)
{
	cout << "A Construct" << this << endl;
}
~A()
{
	cout << "~A()"<< this << endl;
}
private:
int _a;
};

四、 operator new 与 operator delete（探究new操作符底层）

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。（所以他们之间是调用关系，不是重载关系）

需要特别注意的是，operator new 和 operator delete 函数不是运算符重载，因为它们的参数没有自定义类型，而是库里面实现的全局函数，仅仅是将它们取名为 operator 而已，很多C++的初学者都会被二者的函数名所误导。

C++底层的 operator new 和 operator delete 函数如下：

我们可以通过查看反汇编代码来验证 new 和 delete 的底层调用：

而对于new[] 和 delete[] 来说，它们通过调用 operator new[] 和 operator delete[] 函数来实现其功能，但是其实 operator new[] 和 operator delete[] 底层也是调用的 operator new 和 operator delete 函数：

通过上述的实验我们知道 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，如果用户提供了该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过 free 来释放空间的

所以，new其实是封装了malloc，申请内存失败，就会bad allocation 这样才更符合C++面向对象处理问题的机制

五、定位new表达式（了解）

定位 new 也叫 replacement 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；其使用格式如下：

new(place_address) type 或者 new (place_address) type(initializer-list)

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；而内存池在后面我们会详细学习，此处我们了解一下即可。

简单理解一下内存池：

假设半山腰有一个村子，但由于各种原因村子中没有水喝，所以人们每次喝水都只能到山下的公共水井处排队打水，但是呢排队很慢，所以村长就用抽水机+水管联通水井在自己家建了一个蓄水池，以后要用水就直接到蓄水池中去取即可，而不用再到山下去排队打水了，大大提高了效率

上述例子中全村公用的水井就相当于堆，其他村民排队打水就相当于 malloc/calloc/realloc 函数向堆区申请空间，而村长家的蓄水池就相当于我们的主角 – 内存池，内存池的建立可以使得我们申请空间的效率变得很高

六、常见面试题

1、malloc/free 和 new/delete 的区别（从用法功能和底层去理解）

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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符；

申请内置类型空间时，malloc申请的空间不可以初始化，new可以初始化（对于自定义类型）

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；

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，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可；

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；

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；

2、内存泄漏（不是空间丢了）

什么是内存泄漏

通俗易懂的话来讲：就是占着茅坑布莱斯，我虽然这块空间不用了，但我就是不释放，是指针丢了，找不到了，而不是内存丢了

定义：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况；内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，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

在小程序小代码中，内存泄漏的危害几乎为0，但是对于大公司，比如王者荣耀，当发生内存泄露而且是慢性不好检测出来的时候，由于空间一直被占，回收不回来，这就会导致服务器挂掉等问题

定义：短期运行的程序发生内存泄露危害不大，因为当程序结束时动态申请的空间全部都会被回收；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

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；(注：这个是理想状态，但是如果碰上异常时，就算注意释放了，也还是可能会出问题，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。(注：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

希望这篇文章可以给你带来收获！！