C/C++内存管理-易微帮

#include <iostream>
using namespace std;

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);
    
    cout<<sizeof(num1)<<endl;//40
    cout<<sizeof(char2)<<endl;//5
    cout<<sizeof(pChar3)<<endl;//4 or 8
    cout<<sizeof(ptr1)<<endl;//4 or 8
    cout<<strlen(char2)<<endl;//4
    cout<<strlen(pChar3)<<endl;//4
    
    
}

int main(){
    Test();
    return 0;
}

sizeof和strlen的区别？

1.数据类型和用途：

sizeof是一个运算符，用于获取特定类型或对象在内存中的大小（以字节为单位）。它可以用于任何数据类型，包括基本数据类型（如int、char等）、结构体、联合体、数组等。
strlen是一个函数，用于获取C风格字符串（即以null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null字符。

2.操作方式：

sizeof在编译时确定大小，因为它只需要知道数据类型的定义。因此，sizeof是一个常量表达式，其结果在编译时就已经确定。
strlen在运行时确定长度，因为它需要实际检查字符串中的字符，直到找到null字符为止。

3.返回值类型：

sizeof的返回值是size_t类型，这是一个无符号整数类型，用于表示对象的大小。
strlen的返回值也是size_t类型，但它表示的是字符串中字符的个数。

4.处理null指针：

当你对null指针使用sizeof时，它返回的是指针类型的大小，而不是0。在大多数现代系统上，一个指针的大小通常是4字节（32位系统）或8字节（64位系统）。
如果你对null指针使用strlen，那么程序将会崩溃，因为strlen试图访问一个不存在的内存地址

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);
}

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模式：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

在C++中，使用new关键字进行内存空间的申请

//单个空间开辟
指定类型的指针 = new 需要开辟的空间中的数据类型;
指定类型的指针 = new 需要开辟的空间中的数据类型(初始值);
//连续空间开辟
指定类型的指针 = new 需要开辟的空间中的数据类型[需要开辟的空间个数];
指定类型的指针 = new 需要开辟的空间中的数据类型[需要开辟的空间个数]{每一个空间初始化值};

在C++中使用delete关键字进行内存空间的释放

//单个空间释放
delete 指向需要释放的空间的指针;
//连续空间释放
delete[] 指向需要释放的空间的指针;

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];
//	10个int分别用列表中对应的初始化容器初始化
    int* ptr7 = new int[10]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
}

int main(){
    Test();
    return 0;
}

注意：

1.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

2.new和delete一定要匹配使用，单个空间开辟就使用单个空间的释放，连续空间的开辟就使用连续空间的释放，更不能new和free等交叉使用。

举例：free和delete不能错用

我们先看下面的代码

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

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* ptr = new A[10];
    free(ptr);


    return 0;
}

这里使用free会报错

原因：使用new开辟一个连续的空间时，会在开的第一个空间前多开4个字节，记录所开空间个数，返回的却是第一个空间地址

4.operator new 与operator delete函数

4.1 operator new 与operator delete函数

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实际也是通过malloc来申请空间，operator delete是通过free来释放空间

5.new 和 delete的实现原理

内置类型：

对于operator new函数来说

如果是单个空间，在申请空间时使用new，底层会调用malloc开辟空间，与malloc不同的是，malloc函数空间开辟失败会返回空指针，通过还需要自己写perror进行显式报错；而operator new申请失败会抛出异常，而不是返回空指针

如果是连续空间，则在申请空间时new[]，底层会调用malloc函数开辟连续的空间

对于operator delete函数来说

如果是单个空间，那么在释放空间时使用delete，底层会调用free函数释放单个空间，但是不同于free，operator delete会在释放时检查一些可能存在的问题

如果是连续空间，则在申请空间时delete[]，底层会调用free函数开辟连续的空间

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来释放空间

6.定位new表达式（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。

使用格式：

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

place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

使用场景：

定位new表达式在实际中一般是结合内存池使用。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。

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

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    // 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));
    //使用格式：new(place_address)type
    new(p1)A(2); // 注意:如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
    p1->~A();// 析构函数可以显式调用
    free(p1);
    
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));// 也可以直接使用operator new函数开辟空间
    // 在空间中调用构造函数创建对象
    new(p2)A(10);
    p2->~A();// 析构函数可以显式调用
    operator delete(p2);

    return 0;
}

7.常见面试题

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

不同点

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，如果是多个对象，[]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

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序末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：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，最終卡死。

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：

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dlelete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空问将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
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。

如何避免内存泄漏

1.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。

2.采用RAIl思想或者智能指针来管理资源。

3.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。

4.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。

总结一下：

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。

C/C++内存管理

1.C/C++内存分布