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C++入门——03内存管理

news 来源：原创 2024/9/22 7:41:46

上图为C语言的内存管理，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方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

1.new和delete操作符

1.1.new/delete操作内置类型

注意：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[]

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[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

1.2 new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:Test(): _data(0){cout<<"Test():"<<this<<endl;}~Test(){cout<<"~Test():"<<this<<endl;}private:int _data;
};void Test2()
{// 申请单个Test类型的空间Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));free(p1);// 申请10个Test类型的空间Test* p2 = (Test*)malloc(sizoef(Test) * 10);free(p2);
}void Test2()
{// 申请单个Test类型的对象Test* p1 = new Test;delete p1;// 申请10个Test类型的对象Test* p2 = new Test[10];delete[] p2;
}

注意：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，而malloc与free不会。

1.3. 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：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，
尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
*/
void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid *p;while ((p = malloc(size)) == 0)if (_callnewh(size) == 0){// report no memory// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}return (p);
}/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
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_FINALLYreturn;
}/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

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
在申请的空间上执行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

1.4malloc/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。不同的地方是

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
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

2.内存泄露

内存泄露（memory leak）指的是在程序中动态分配的内存未被释放，导致这些内存无法再次被使用。内存泄露通常会导致程序的内存占用不断增加，最终可能会导致系统内存耗尽，影响程序的性能和稳定性。

常见原因

遗漏 delete 或 free：在动态分配内存后，如果忘记释放这块内存，就会发生内存泄露。
多次分配，未释放旧内存：如果分配了新的内存，但没有释放之前分配的内存，旧内存就会泄露。
异常情况：在分配内存后，如果程序遇到异常并退出，没有机会释放内存，可能会导致内存泄露。
不正确的指针管理：如指针覆盖、丢失引用等，都会导致无法释放已经分配的内存。

示例代码和分析

以下是一个内存泄露的示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;void CauseMemoryLeak() {int* ptr = new int[100]; // 动态分配内存// 忘记释放内存
}int main() {CauseMemoryLeak();// 内存泄露：动态分配的内存没有释放return 0;
}

在这个示例中，CauseMemoryLeak 函数中分配了 100 个 int 的内存，但没有调用 delete[] 来释放内存，从而导致内存泄露。

检测内存泄露

工具和库：
- Valgrind：一个强大的工具，用于检测内存泄露和其他内存错误。
- AddressSanitizer：GCC 和 Clang 提供的工具，用于检测内存错误和泄露。
- Visual Studio 的内存检测工具：用于检测 Windows 平台上的内存问题。
智能指针：
- 使用 C++11 的 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 等智能指针，可以自动管理动态分配的内存，从而减少内存泄露的风险。

防止内存泄露

使用智能指针：

#include <iostream>
using namespace std;void CauseMemoryLeak() {int* ptr = new int[100]; // 动态分配内存// 忘记释放内存
}int main() {CauseMemoryLeak();// 内存泄露：动态分配的内存没有释放return 0;
}