Cpp-內存管理

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title: 內存管理
date: 2019-03-18 16:34:34
tags: Cpp
categories: Cpp
toc: true

C/C++ 內存分佈

**棧：**又叫堆棧，非靜態局部變量/函數參數/返回值等等，棧是向下增長的。

**內存映射段：**是高效的 I/O 映射方式，用於裝載一個共享的動態內存庫。用戶可使用系統接口創建共享共

享內存，做進程間通信。

**堆：**程序運行過程中動態分配，向上生長。

**數據段：**全局數據、靜態數據。

**代碼段：**只讀常量、可執行代碼。

C 內存管理方式

malloc/calloc/realloc 和 free

void Test () {
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
    free(p1);
    // malloc/calloc/realloc的區別是什麼?
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int)); 
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
    // 這裏需要free(p2)嗎?
    free(p3);
}

⚠️ 這裏不能free(p2)，因爲 realloc 在申請內存時可能會改變存儲的地址，這裏只需要 free p3 就行。

C++ 內存管理方式

new & delete

對於內置類型

int *p_a = new int;
int *p_b = new int(233);
int *p_arr = new int[10];

delete p_a;
delete p_b;
delete[] p_arr;

對於自定義類型

class Student
{ ... };

Student *ps1 = new Student;
Student *ps2 = new Student[10];

在申請自定義類型的空間時，new 會調用構造函數，delete 會調用析構函數，而 malloc 與 free 不會。

operator new & operator delete

operator new 和 operator delete 是系統提供的全局函數，new 在底層調用 operator new 全局函數來申請空間，delete 在底層通過 operator delete 全局函數來釋放空間。

operator new 實際也是通過 malloc 來申請空間，如果 malloc 申請空間成功就直接返回，否則執行用戶提供的空間不足應對措施，如果用戶提供該措施就繼續申請，否則就拋異常。operator delete 最終是通過free來釋放空間的。

operator new

/*
operator new:
	該函數實際通過malloc來申請空間，當malloc申請空間成功時直接返回;
	申請空間失敗，嘗試執行空間不足應對措施，如果改應對措施用戶設置了，則執行，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
      // 如果申請內存失敗了，這裏會拋出 bad_alloc 類型異常 
      static const std::bad_alloc nomem;
      _RAISE(nomem);
    }
  return (p); 
}

operator delete

/*
operator delete: 該函數最終是通過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 );	// 釋放空間，調用 _free_dbg
  __FINALLY
    _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
  __END_TRY_FINALLY
  return;
}

/*
	free
*/
#define free(p)		_free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

🌰 重載類專屬 operator new/ operator delete

針對鏈表的節點 ListNode 通過重載類專屬 operator new/ operator delete，實現鏈表節點使用內存池申請和釋放內存，提高效率。

struct ListNode
{
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;
    void* operator new(size_t n)
    {
        void* p = nullptr;
        p = allocator<ListNode>().allocate(1);
        cout << "memory pool allocate" << endl;
        return p;
    }
    void operator delete(void* p)
    {
        allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
        cout << "memory pool deallocate" << endl;
		} 
};

class List
{
public:
    List()
    {
            _head = new ListNode;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
    }
    ~List() 
    {
            ListNode* cur = _head->_next;
            while (cur != _head)
            {
                ListNode* next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = next;
            }
            delete _head;
            _head = nullptr;
    }
private:
    ListNode* _head;
};
int main()
{
    List l;
    return 0;
}

new 和 delete 的實現原理

內置類型

如果申請的是內置類型的空間，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[] 申請的是連續空間，而且 new 在申請空間失敗時會拋異常，malloc 會返回 NULL 。

自定義類型

• new
  1. 調用 operator new 函數申請空間
  2. 在申請的空間上執行構造函數，完成對象的構造
• delete
  1. 在空間上執行析構函數，完成對象中資源的清理工作
  2. 調用 operator delete 函數釋放對象的空間
• new T[N]
  1. 調用 operator new[] 函數，在 operator new[] 中實際調用 operator new 函數完成 N 個對象空間的申請
  2. 在申請的空間上執行 N 次構造函數
• delete[]
  1. 在釋放的對象空間上執行 N 次析構函數，完成 N 個對象中資源的清理
  2. 調用 operator delete[] 釋放空間，實際在 operator delete[] 中調用 operator delete 來釋放空間

定位 new 表達式（placement-new）

定位 new 表達式是在已分配的原始內存空間中調用構造函數初始化一個對象。

使用場景：定位 new 表達式在實際中一般是配合內存池使用。因爲內存池分配出的內存沒有初始化，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構造函數進行初始化。

用法：

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

Date* pd = (Date*)malloc(sizeof(Date));
// 此時的 pd 指向的空間只是一個大小和 Date 對象一樣的空間，並不能算是一個對象，構造函數還沒有執行
new(pd)Date(1939,2,3);

內存泄露

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