c++暗物质 内存管理 原创 精华

发布于 2022-2-4 15:50
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春节不停更,此文正在参加「星光计划-春节更帖活动」https://harmonyos.51cto.com/posts/9923

类与对象


##C++11 的成员初始化新玩法

C++11支持非静态成员变量在声明时进行初始化赋值,==但是要注意这里不是初始化,这里是给声明的成员变量缺省值。==

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再次理解封装

C++是基于面向对象的程序,==面向对象有三大特性即:封装、继承、多态==。
C++通过类,将一个对象的属性与行为结合在一起,使其更符合人们对于一件事物的认知,将属于该对象的所有东西打包在一起;通过访问限定符选择性的将其部分功能开放出来与其他对象进行交互,而对于对象内部的一些实现细节,外部用户不需要知道,知道了有些情况下也没用,反而增加了使用或者维护的难度,让整个事情复杂化。

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再次理解面向对象

可以看出面向对象其实是在模拟抽象映射现实世界

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C/C++内存管理


C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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==虚拟进程地址空间==

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【说明】

  1. 又叫堆栈,非静态局部变量/函数参数/返回值等等,栈是向下增长的。
  2. 内存映射段是高效的I/O映射方式,用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共
    享内存,做进程间通信。(Linux课程如果没学到这块,现在只需要了解一下)
  3. 用于程序运行时动态内存分配,堆是可以上增长的。
  4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
  5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

C语言中动态内存管理方式

==malloc/calloc/realloc和free==

【面试题】

malloc/calloc/realloc的区别?

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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方式:==通过new和delete操作符进行动态内存管理==。


new/delete操作内置类型

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int main()
{
	//c语言申请10个int的数组
	int* pa = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
	//c++申请10个int的数组
	int* pb = new int[10];

	//c语言释放空间
	free(pa);
	//c++释放空间
	delete[] pb;

	//c语言申请1个int
	int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	//c++申请1个int
	int* b = new int;

	//c语言释放空间
	free(a);
	//c++释放空间
	delete b;
	return 0;
}

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struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _val;

	ListNode(int val = 0)
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		,_val(val)
	{
		cout << "ListNode(int val = 0" << endl;
	}
	~ListNode()
	{
		cout << "ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	//c语言创建链表节点
	struct ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	//free是直接释放空间
	free(n1);

	//c++创建链表节点
	ListNode* n2 = new ListNode(10);
	//delete 是先析构清理然后再释放空间
	delete n2;
	return 0;
}

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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。

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struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;
	int _val;

	ListNode(int val = 0)
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _val(val)
	{
		cout << "ListNode(int val = 0" << endl;
	}
	~ListNode()
	{
		cout << "ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	//c语言创建链表节点
	struct ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	//free是直接释放空间
	free(n1);

	//c++创建链表节点
	ListNode* n2 = new ListNode[10]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
	//delete 是先析构清理然后再释放空间
	delete[] n2;
	return 0;
}

总结

1.cpp中如果是申请内置类型对象或者数组,malloc和new没有什么区别

2.如果是自定义类型,区别很大,new和delete是开空间+初始化,析构清理+释放空间;malloc和free仅仅是开空间+释放空间

3.在cpp中,无论是内置类型还是自定义类型的申请释放,尽量使用new和delete

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==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[]==


玩个好玩的,malloc/new到底能申请多大的空间

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==因为我们是32位的程序总共才4个G,除去内核区的1G,用户区里面自己分分,堆是最大的也就1G大几,不到2G==

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==面试官问你如何malloc出4G的空间==

你一看这不完犊子了吗,我自己测试最大到1.8G不到2G,你向我要4G,我去偷给你啊

别说我真的叫你去偷,==把32位程序偷成64位==的试试

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int main()
{
	void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024*4);
	cout << "p1:" << p1 << endl;
	return 0;
}

operator new与operator delete函数(重要点进行讲解)

operator new与operator delete函数(重点)

==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 bytes
    void* 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_FINALLY
        return;
}
/*
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


operator new与operator delete的类专属重载(了解)

下面代码演示了,针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete,实现链表节点使用内存池申请和释放内存,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的实现原理

内置类型

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。

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[]中调用operator delete来释放空间

定位new表达式(placement-new) (了解)

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配合内存池使用。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。

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==那么有没有一种方式调用构造函数对这块空间初始化呢==

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//我们malloc A类型的空间   此空间是没有被初始化的
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//针对这块空间呢我想要初始化
	new(p1)A(10);   //定位new  或  placement-new
	return 0;
}

==实际上可以来个更bug的==

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	
	new(p1)A(10);
	return 0;
}

==析构函数可以显示调用==

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	
	new(p1)A(10);

	p1->~A();//析构函数可以显示调用
	operator delete(p1);

	return 0;
}


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

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未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,最终卡死

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内存泄漏分类(了解)

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏

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

2.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RAII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。

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