一、C/C++中程序內(nèi)存區(qū)域劃分

內(nèi)存區(qū)域相關(guān)作用：

• 棧又叫堆棧: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
• 內(nèi)存映射段時(shí)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)，用戶可以使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享共享內(nèi)存，做進(jìn)程間通信
• 堆用于程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，堆時(shí)可以上增長(zhǎng)的
• 數(shù)據(jù)段:存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)
• 代碼段:可執(zhí)行的代碼、只讀常量

在語(yǔ)法上將數(shù)據(jù)段稱為靜態(tài)區(qū)、代碼段稱為常量區(qū)，而以上操作系統(tǒng)的命名。

提出相關(guān)思考:

• 為什么要分不同的區(qū)域
• 哪個(gè)區(qū)域是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的

回答:

• 根據(jù)對(duì)象不同的生命周期和作用域，分配到不同的區(qū)域中，統(tǒng)一管理，高效地對(duì)對(duì)象進(jìn)行處理
• 堆是我們要需要重點(diǎn)關(guān)注的，這是系統(tǒng)留給我們控制的內(nèi)存，其他系統(tǒng)是自動(dòng)的

1.1 相關(guān)練習(xí)測(cè)試

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);
}

答案:

• 選擇題:C、C、C、A、A 。A、A、A、D、A、B
• 填空題：40、5、4、4/8、4、4/8

這里容易混洗的char str1[] ="abcd"與const char* str2 ="abcd"。這里str1是個(gè)數(shù)組將常量拷貝到數(shù)組，而str2是直接指向常量區(qū)中常量。

二、C語(yǔ)言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式

C語(yǔ)言中，系統(tǒng)通過(guò)一系列函數(shù)賦予了我們對(duì)堆上空間的控制

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3 );
}

提出思考:

• malloc/calloc/realloc的區(qū)別是什么？
• 這里使用realloc是否還需要free(p2)
• malloc的實(shí)現(xiàn)原理?

第一個(gè)問(wèn)題的回答:

對(duì)于malloc/calloc/realloc是系統(tǒng)為我們提供在堆上申請(qǐng)空間的途徑。在功能上大體是相同的，對(duì)于malloc與calloc這兩個(gè)函數(shù)，除了參數(shù)部分及其是否完成初始化，其他功能是相同的。

relloc比較特別，屬于擴(kuò)容時(shí)使用的函數(shù)。擴(kuò)容有兩種方式：原地?cái)U(kuò)容和異地?cái)U(kuò)容。如果realloc第一個(gè)參數(shù)部分為空，可以當(dāng)作malloc使用)。具體還是參考下這篇博客有詳細(xì)解釋內(nèi)存管理

第二個(gè)問(wèn)題的回答:

由于realloc進(jìn)行了擴(kuò)容操作。如果是原地?cái)U(kuò)容，在原來(lái)開辟空間上完成擴(kuò)容操作，這里p3會(huì)同p2指向這塊空間，只需要free(p3)；如果是異地?cái)U(kuò)容，將p2空間中數(shù)據(jù)拷貝一份，在堆上找一塊空間充足地方，完成擴(kuò)容和拷貝操作，p2指向原空間，會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)收回，不需要對(duì)p2進(jìn)行free操作。對(duì)此無(wú)論是原地還是異地，只需要free(p3)即可

第三個(gè)問(wèn)題的回答:

可以通過(guò)該鏈接進(jìn)行學(xué)習(xí)GLibc堆利用入門

三、C++內(nèi)存管理方式

在C++中，雖然可以繼續(xù)使用C語(yǔ)言對(duì)于內(nèi)存管理方式，但是在有些地方就無(wú)能為力，而且使用起來(lái)比較麻煩。對(duì)此因此C++又提出了自己的內(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

3.1 使用new/delete進(jìn)行數(shù)據(jù)操作

3.1.1 new/delete 操作內(nèi)置類型

int main()
{
	//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類型的空間
	int* ptr1 = new int;
	//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類型的空間并且初始化為10
	int* ptr2 = new int(10);
	//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間
	int* ptr3 = new int[3];
	//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類型的空間并且完成初始化
	int* ptr4 = new int[10]{ 1,2,3 };//剩下沒有明確給值，默認(rèn)為0
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete []ptr3;
	delete[]ptr4;
	return 0;
}

注意需要匹配使用new和delete操作符：

• 申請(qǐng)和釋放單個(gè)元素的空間：new、delete
• 申請(qǐng)和釋放多個(gè)元素的空間：new[]、delete[]

3.1.2 new和delete操作自定義類型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//自定義類型
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	//內(nèi)置類型
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	//開辟連續(xù)自定義類型空間
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

從結(jié)果上來(lái)看，對(duì)于new與malloc最大差別在于對(duì)自定義類型除了開辟空間以外，還會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)及其進(jìn)行良好的初始化和控制。對(duì)于malloc而言無(wú)法對(duì)自定義類型進(jìn)行好的初始化和控制，只負(fù)責(zé)開辟內(nèi)存，除此之外內(nèi)置類型幾乎相同（初始化不同）

對(duì)于new優(yōu)于malloc的幾點(diǎn):

• 用法上進(jìn)行調(diào)正，更簡(jiǎn)潔好用
• 可以控制初始化
• 對(duì)于自定義類型，new可以開空間+構(gòu)造函數(shù)
• new配合構(gòu)造函數(shù)，可以更加便捷創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)等
• new失敗了以后拋異常，不需要手動(dòng)檢查

第一點(diǎn):

int* p0 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p1 = new int;

第二點(diǎn):

int* p2 = new int[10];
	int* p3 = new int(10);
	int* p4 = new int[10]{ 1,2,3 };

第三點(diǎn)：

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;
	ListNode(int val)
		:_val(val)
		,_next(nullptr)
	{}
};
//創(chuàng)建不帶哨兵位，同時(shí)如果是插入數(shù)據(jù)，new ListNode(3)即可
ListNode* CreateList(int n)
{
	ListNode head(-1);
	ListNode* tail = &head;
	int val;
	printf("請(qǐng)依次輸入%d個(gè)節(jié)點(diǎn)的值：>", n);
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		cin >> val;
		tail->_next = new ListNode(val);
		tail = tail->_next;
	}
	return head._next;
}

第四點(diǎn):

void func()
{
	int n = 1;
	while (1)
	{
		int* p = new int[1024 * 1024*100];
		cout <<n<<"->"<< p << endl;
		++n;
	}
}
int main()   
{
   try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
    return 0;
}

這里try和catch就是捕捉異常，這一點(diǎn)到后面有涉及。以上種種都是new的優(yōu)點(diǎn)，所以我們不推薦再使用malloc/free系列。

四、 new和delete原理及其兩個(gè)全局函數(shù)的實(shí)現(xiàn)(operator new/operator delerte)

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再底層調(diào)用operator new全局函數(shù)來(lái)申請(qǐng)空間，delete在底層通過(guò)operator delete全局函數(shù)來(lái)釋放空間(operator new與operator delete不是對(duì)new和delete的重載)

int* p1 = (int*)operator new(10 * 4);
	//int* p1=new int(10*4)
	operator delete(p1);
	//delete(p1)

從代碼中可以看出來(lái)，new/delete和operator new/operator delete效果上是相同的。那么直接使用new/delete就行，operator new/operator delete對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是沒用的，但是有這個(gè)東西說(shuō)明在系統(tǒng)中有它們的一席之地的。

/*
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)
    //通過(guò)上述兩個(gè)全局函數(shù)的實(shí)現(xiàn)知道，operator new 實(shí)際也是通過(guò)malloc來(lái)申請(qǐng)空間，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應(yīng)對(duì)措施，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。
    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)

可以通過(guò)上述兩個(gè)全局函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以知道，operator new實(shí)際是通過(guò)malloc來(lái)申請(qǐng)空間，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應(yīng)對(duì)措施；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。

內(nèi)置類型:

如果申請(qǐng)的是內(nèi)置類型的空間，new/malloc與delete/free基本類似，不同的地方是new在申請(qǐng)空間失敗時(shí)會(huì)拋異常，malloc會(huì)返回NULL

自定義類型:

new的原理:

• 調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間
• 在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的構(gòu)造

delete的原理:

• 在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象中資源的清理工作
• 調(diào)用operator delete含函數(shù)釋放對(duì)象的空間

new T[N]的原理:

• 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[]的原理:

• 在釋放的對(duì)象空間上執(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，實(shí)際在operator delete[]中調(diào)用operator delete來(lái)釋放空間

通過(guò)匯編，深入立即其中

對(duì)于自定義類型轉(zhuǎn)換指令只有兩個(gè)核心動(dòng)作調(diào)用全局函數(shù)及其構(gòu)造或析構(gòu)，而內(nèi)置類型只有調(diào)用全局函數(shù)。

對(duì)此可得:

• operator new是對(duì)malloc的封裝，如果失敗拋異常，實(shí)現(xiàn)new
• operator newp[]封裝operator new，最終還是malloc
• operator delete對(duì)free的封裝
• operator delete[]封裝operator delete

同時(shí)這里需要注意調(diào)用順序上的問(wèn)題

五、深入了解new和delete工作原理

new是個(gè)操作符，在編譯時(shí)new A會(huì)轉(zhuǎn)化為匯編指令調(diào)用malloc，一般來(lái)說(shuō)malloc失敗會(huì)返回空，由于C++是面向?qū)ο蟮倪^(guò)程，malloc失敗返回空是不太合適，一般采用拋異常。全局函數(shù)operator new來(lái)封裝malloc，去調(diào)正失敗的返回情況。

int main()
{
	A* p1 = new A;//operator new+1次構(gòu)造
	A* p2 = new A[10];//operatorn new[]+10構(gòu)造
	int* p3=new int[10];//operator new[](占用40個(gè)字節(jié))
	delete p1;//1次析構(gòu)+operator delete
	delete[] p2;//？次析構(gòu)+operator delete
    delete[] p3;//operator delete
	return 0;
}

結(jié)合匯編和代碼提供的信息，提出以下問(wèn)題:

• 編譯器如何開始確定所需開辟空間大小
• 為什么p2指向大小為44字節(jié)空間，而不是40字節(jié)空間
• 為什么編譯器知道p2需要調(diào)用10次析構(gòu)函數(shù)

回答:

• 由于new屬于操作符，在編譯時(shí)就計(jì)算出了所需空間的大小。
• 編譯器在所開辟空間位置前面，也是調(diào)用operator new函數(shù)多開四個(gè)字節(jié)，用于記錄對(duì)象個(gè)數(shù)(針對(duì)自定義類型)
• 由于內(nèi)置類型不需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，對(duì)此不需要記錄對(duì)象個(gè)數(shù)，而自定義類型需要記錄對(duì)象個(gè)數(shù)。delete[]需要通過(guò)對(duì)象個(gè)數(shù)才知道調(diào)用多少次析構(gòu)函數(shù)。如果將析構(gòu)函數(shù)注釋，p2占用空間為40字節(jié)。由于編譯器會(huì)自動(dòng)生成析構(gòu)函數(shù)，而該析構(gòu)函數(shù)沒有發(fā)揮占用，編譯器會(huì)優(yōu)化導(dǎo)致不需要四個(gè)字節(jié)記錄對(duì)象個(gè)數(shù)，具體需要看編譯器是否優(yōu)化

六、malloc/free系列和new/delete系列的區(qū)別

我們將通過(guò)用法和底層特性兩點(diǎn)說(shuō)明：

共同點(diǎn):

• 都是從堆上申請(qǐng)空間，并且需要用戶手動(dòng)釋放

不同點(diǎn):

• malloc和free屬于函數(shù)，new和delete屬于操作符
• malloc申請(qǐng)的空間不會(huì)初始化，new可以初始化
• malloc申請(qǐng)空間時(shí)，需要手動(dòng)計(jì)算空間并且傳遞，new只需在其后跟上空間的類型即可，如果是多個(gè)對(duì)象，[]中指定對(duì)象個(gè)數(shù)即可
• malloc的返回值為void*，在使用事必須強(qiáng)轉(zhuǎn)，new不需要，因?yàn)閚ew后跟的是空間的類型
• malloc申請(qǐng)空間失敗時(shí)，返回的是NULL，因此使用時(shí)必須判空，new不需要的，但是new需要捕獲異常
• 申請(qǐng)自定義類型對(duì)象時(shí)，malloc/free只會(huì)開辟空間，不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)，而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在釋放空間前會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理

七、delete最好匹配使用

解析說(shuō)明:圖中delete沒有匹配使用，導(dǎo)致可能報(bào)錯(cuò)。這里p2指向并不是申請(qǐng)空間的第一個(gè)位置，第一個(gè)位置是operator new[]實(shí)現(xiàn)存放對(duì)象個(gè)數(shù)申請(qǐng)的空間。由于空間是不能一塊塊釋放，對(duì)此p2釋放的位置是錯(cuò)誤的，并且不明確需要調(diào)用多少次析構(gòu)函數(shù)，可能會(huì)造成內(nèi)存泄漏。如果是delete[] p2，會(huì)將p2指針偏移前面四個(gè)字節(jié)。

但是以上種種情況，導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題是否報(bào)錯(cuò)，具體需要看編譯器是否進(jìn)行優(yōu)化(編譯器是否調(diào)用析構(gòu)函數(shù))，對(duì)此我們只需要正確的使用delete就行，上面只是了解就行了

八、定位new表達(dá)式(placement -new)(了解)

定位new表達(dá)式時(shí)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(gè)對(duì)象。

new(指針->空間)類型() ：顯式調(diào)用構(gòu)造函數(shù)對(duì)已經(jīng)有的空間初始化

構(gòu)造函數(shù)不能顯式調(diào)用，析構(gòu)可以顯式調(diào)用（一般不會(huì)去調(diào)用兩次析構(gòu)的)

class A
{
    public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
        {
            cout << "A():" << this << endl;
        }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
    private:
    int _a;
}
/ 定位new/replacement new
    int main()
{
    // p1現(xiàn)在指向的只不過(guò)是與A對(duì)象相同大小的一段空間，還不能算是一個(gè)對(duì)象，因?yàn)闃?gòu)造函數(shù)沒
    有執(zhí)行
        A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    new(p1)A; // 注意：如果A類的構(gòu)造函數(shù)有參數(shù)時(shí)，此處需要傳參
    p1->~A();
    free(p1);
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    return 0;
}

一般沒有人會(huì)使用，因?yàn)檫@里就是把new分成兩部分，那么干嘛不直接使用new更加方便。

使用場(chǎng)景:定位new表達(dá)式在實(shí)際中，一般是配合內(nèi)存池使用。因?yàn)閮?nèi)存池分配出的內(nèi)存沒有初始化。如果是自定義類型的對(duì)象，需要使用new的定義表達(dá)式進(jìn)行顯式調(diào)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化。

C++基本放棄了malloc/free系列。關(guān)于realloc擴(kuò)容解決措施，在C++相關(guān)容器中它們會(huì)自動(dòng)處理內(nèi)存的擴(kuò)容，使得開發(fā)者可以更加方便地使用動(dòng)態(tài)大小的數(shù)據(jù)集合。

九、內(nèi)存泄漏（了解)

9.1 內(nèi)存泄漏概念

內(nèi)存泄漏指因?yàn)槭韬龌蛘咤e(cuò)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?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤，失去了對(duì)該段內(nèi)存的控制，因而造成了內(nèi)存的浪費(fèi)

9.2 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。

9.3 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

1.堆內(nèi)存泄漏(Heap leak)

堆內(nèi)存指的是程序執(zhí)行種依據(jù)須要分配通過(guò)malloc/calloc/realloc/new等從堆中分配的一塊內(nèi)存，用完后必須通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的free或者delete刪除。假設(shè)程序的設(shè)計(jì)錯(cuò)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(wú)法再被使用，就會(huì)產(chǎn)生Heap Leak。

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，管道等沒有使用對(duì)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。

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