內(nèi)存分布

主要段及其分布

? 每個程序運行起來以后，它將擁有自己獨立的虛擬地址空間。這個虛擬地址空間的大小與操作系統(tǒng)的位數(shù)有關(guān)系。32位硬件平臺的虛擬地址空間的地址可以從0~2^32-1,即0x00000000~0xFFFFFFFF,總共4GB大小。64位硬件平臺的虛擬地址空間則會很大。C/C++程序在虛擬內(nèi)存中的排布大概如下所示（僅僅列出了相關(guān)的主要段）：

如上圖所示：

1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表，注意不釋放的話會造成內(nèi)存泄漏。

3、數(shù)據(jù)段（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。 - 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

4、內(nèi)存映射段是高效的I/O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，做進程間通信。

5、代碼段—存放函數(shù)體的二進制代碼，直接的操作數(shù)也是存儲在這個位置的。如int a=4;。

動態(tài)內(nèi)存管理方式-堆區(qū)

C語言動態(tài)內(nèi)存管理

C語言中使用malloc/calloc/realloc/free四個函數(shù)來進行動態(tài)內(nèi)存管理

1、malloc：用來動態(tài)申請一塊內(nèi)存，但不初始化。

2、calloc: 動態(tài)申請一塊內(nèi)存，但會將申請出的內(nèi)存初始化為0。

3、realloc: 當(dāng)申請出的內(nèi)存不夠用時，會使用realloc來動態(tài)擴容（會有一定程度的消耗）。

4、free： 用來釋放動態(tài)申請的的內(nèi)存(當(dāng)內(nèi)存不用時一定要使用free來釋放它，否則會造成內(nèi)存泄漏)

C++動態(tài)內(nèi)存管理

? 因為C++是兼容C的也可以使用上述的幾個函數(shù)來進行內(nèi)存管理，但是C++中引入了new/delete兩個操作符來進行內(nèi)存的申請和釋放。

new和delete的用法

1、操作內(nèi)置類型

//申請單個對象
int *p1=new int;//動態(tài)申請一塊int類型的空間。
int *p2=new int(3);//動態(tài)申請一塊int類型的空間，并將其初始化。
?
delete p1;
delete p2;
?
//動態(tài)申請一塊連續(xù)空間
int *p3=new int[10];//[]中是對象個數(shù)
?
//釋放
delete [] p3;

注意：申請和釋放單個元素的空間，使用new和delete操作符，申請和釋放連續(xù)的空間，使用new[]和delete[]。

2、操作自定義類型

class Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
int main()
{
    //申請單個自定義類型的空間
    Test* p1=new Test;
    delete p1;
    
    //申請多個自定義類型的連續(xù)空間
    Test* p2= new Test[10];
    delete [] p2;
    
    return 0;
}

注意：在申請自定義類型的空間時，new會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，delete會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc與free不會。

operator new與operator delete函數(shù)

new和delete是用戶進行動態(tài)內(nèi)存申請和釋放的操作符，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)來申請空間，delete在底層通過operator delete全局函數(shù)來釋放空間。

operator new:該函數(shù)實際通過malloc來申請空間，當(dāng)malloc申請空間成功時直接返回；申請空間失敗，嘗試執(zhí)行空間不足應(yīng)對措施，如果改應(yīng)對措施用戶1設(shè)置了，則繼續(xù)申請，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:該函數(shù)實際通過free來釋放空間的。

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;
}

new和delete的實現(xiàn)原理

1、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在申請空間失敗時會拋異常，malloc會返回NULL

2、自定義類型

new的原理

• 1、調(diào)用operator new 函數(shù)申請空間
• 2、在申請的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對象的構(gòu)造

delete的原理

• 1、調(diào)用operatordelete 函數(shù)釋放空間
• 2、在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對象中資源的清理工作

new T[N]的原理

• 1、調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中實際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個對象空間的申請
• 2、在申請的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)

delete[]的原理

• 1、在釋放的對象空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個對象中資源的清理
• 2、調(diào)用operator delete[]釋放空間，實際在operator delete[]中調(diào)用operator delete來釋放空間

定位new表達式

定位new表達式是在已分配的原始內(nèi)存空間中調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化一個對象。

使用格式：

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

place_address必須是一個指針，initializer-list是類型的初始化列表

使用場景：

定位new表達式在實際中一般是配合內(nèi)存池使用。因為內(nèi)存池分配出的內(nèi)存沒有初始化，所以如果是自定義類型的對象，需要使用new的定義表達式進行顯示調(diào)構(gòu)造函數(shù)進行初始化。

class Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
void Test()
{
    // pt現(xiàn)在指向的只不過是與Test對象相同大小的一段空間，還不能算是一個對象，因為構(gòu)造函數(shù)沒有執(zhí)行
    Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));
    new(pt) Test; // 注意：如果Test類的構(gòu)造函數(shù)有參數(shù)時，此處需要傳參
}

高頻面試題

重點new/delete和malloc/free的區(qū)別

1、 屬性

new/delete是C++關(guān)鍵字，需要編譯器支持。malloc/free是庫函數(shù)，需要頭文件支持。

2、 參數(shù)

使用new操作符申請內(nèi)存分配時無須指定內(nèi)存塊的大小，編譯器會根據(jù)類型信息自行計算。而malloc則需要顯式地指出所需內(nèi)存的尺寸。

3、 返回類型

new操作符內(nèi)存分配成功時，返回的是對象類型的指針，類型嚴格與對象匹配，無須進行類型轉(zhuǎn)換，故new是符合類型安全性的操作符。而malloc內(nèi)存分配成功則是返回void * ，需要通過強制類型轉(zhuǎn)換將void*指針轉(zhuǎn)換成我們需要的類型。

4、 分配失敗

new內(nèi)存分配失敗時，會拋出bac_alloc異常。malloc分配內(nèi)存失敗時返回NULL。

5、 自定義類型

new會先調(diào)用operator new函數(shù)，申請足夠的內(nèi)存（通常底層使用malloc實現(xiàn)）。然后調(diào)用類型的構(gòu)造函數(shù)，初始化成員變量，最后返回自定義類型指針。delete先調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，然后調(diào)用operator delete函數(shù)釋放內(nèi)存（通常底層使用free實現(xiàn)）。

malloc/free是庫函數(shù)，只能動態(tài)的申請和釋放內(nèi)存，無法強制要求其做自定義類型對象構(gòu)造和析構(gòu)工作。

6、 重載

C++允許重載new/delete操作符，特別的，布局new的就不需要為對象分配內(nèi)存，而是指定了一個地址作為內(nèi)存起始區(qū)域，new在這段內(nèi)存上為對象調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成初始化工作，并返回此地址。而malloc不允許重載。

7、 內(nèi)存區(qū)域

new操作符從自由存儲區(qū)（free store）上為對象動態(tài)分配內(nèi)存空間，而malloc函數(shù)從堆上動態(tài)分配內(nèi)存。自由存儲區(qū)是C++基于new操作符的一個抽象概念，凡是通過new操作符進行內(nèi)存申請，該內(nèi)存即為自由存儲區(qū)。而堆是操作系統(tǒng)中的術(shù)語，是操作系統(tǒng)所維護的一塊特殊內(nèi)存，用于程序的內(nèi)存動態(tài)分配，C語言使用malloc從堆上分配內(nèi)存，使用free釋放已分配的對應(yīng)內(nèi)存。自由存儲區(qū)不等于堆，如上所述，布局new就可以不位于堆中。

內(nèi)存泄漏

1、什么是內(nèi)存泄漏，內(nèi)存泄漏的危害什么是內(nèi)存泄漏：內(nèi)存泄漏指因為疏忽或錯誤造成程序未能釋放已經(jīng)不再使用的內(nèi)存的情況。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，因為設(shè)計錯誤，失去了對該段內(nèi)存的控制，因而造成了內(nèi)存的浪費。

內(nèi)存泄漏的危害：長期運行的程序出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，影響很大，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。

2、內(nèi)存泄漏分類

C/C++程序中一般我們關(guān)心兩種方面的內(nèi)存泄漏：

• 堆內(nèi)存泄漏

堆內(nèi)存指的是程序執(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Heap Leak

• 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、管道等沒有使用對應(yīng)的函數(shù)釋放掉，導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費，嚴重可導(dǎo)致系統(tǒng)效能減少，系統(tǒng)執(zhí)行不穩(wěn)定

3、如何避免內(nèi)存泄漏

工程前期良好的設(shè)計規(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。ps：這個理想狀態(tài)。但是如果碰上異常時，就算注意釋放了，還是可能會出問題。需要下一條智能指針來管理才有保證。

采用RAII思想或者智能指針來管理資源。

有些公司內(nèi)部規(guī)范使用內(nèi)部實現(xiàn)的私有內(nèi)存管理庫。這套庫自帶內(nèi)存泄漏檢測的功能選項。

出問題了使用內(nèi)存泄漏工具檢測。ps：不過很多工具都不夠靠譜，或者收費昂貴。

總結(jié)一下:

內(nèi)存泄漏非常常見，解決方案分為兩種：1、事前預(yù)防型。如智能指針等。2、事后查錯型。如泄漏檢測工具

到此這篇關(guān)于C語言與C++中內(nèi)存管理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言 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！