CC++内存管理【new和delete操作符的详细分析】【常见面试题】

C/C++内存管理

1.C/C++内存分布

我们先来看一段代码，来了解一下C/C++中的数据内存分布。

# include <stdlib.h>int globalVar = 1; 
static int staticGlobalVar = 1; // 比globalVar还要先销毁,同一个文件下后定义的先析构
// 全局变量存在 数据段（静态区）但是 链接方式和静态变量不同，全部文件下都能知道globalvar的存在
// 但是staticGlobalVar只在当前文件(test.cpp)下存在
// 注意： 多个文件的话，那个全局变量先析构是不确定的
// 注意： 全局变量和全局静态变量唯一的区别就是链接属性不同
void Test()
{static int staticVar = 1; // 作用域只在Test函数中，函数栈帧销毁后，也跟着销毁了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);
}/*
1. 选择题：
选项 : A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？__C__   staticGlobalVar在哪里？__C__
staticVar在哪里？__C__   localVar在哪里？__A__
num1 在哪里？__A__char2在哪里？__A__ *char2在哪里？_A__ // *char拿的是数组的首元素,整个数组都位于栈区，首元素自然也在栈区
pChar3在哪里？__A__ *pChar3在哪里？__D__ //*pChar3 是常量字符串的首元素，pChar3指向常量区的常量字符串
ptr1在哪里？__A__ *ptr1在哪里？__B__ // ptr1是在栈区的一个指向堆区数组的指针2. 填空题：
sizeof(num1) = __40__;
sizeof(char2) = __5__;      strlen(char2) = __4__; // 5是因为还有一个\0
sizeof(pChar3) = __8/4__;    strlen(pChar3) = __4__;// pChar3是指针变量
sizeof(ptr1) = __8/4__; // ptr1也是指针变量3. sizeof 和 strlen 区别？
sizeof就是去算所占空间的大小
strlen 就是读取一个字符串的长度，遇到\0就会停下来
*/

有关函数内的四个在栈区的变量的图解

image-20240605153945812

更加详细的图解:

image-20240605154430162

  • 注意： 全局变量和全局静态变量唯一的区别就是链接属性不同

【说明】

  1. 栈又叫堆栈–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. 堆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

拓展：

在我们上面做的题目中，有这样一个题

sizeof(ptr1) = __8/4__;

为什么在64位和32位的环境下，指针所占内存空间的大小不一样呢？

首先我们要知道一个虚拟内存，我们在VS下调试看到的变量的地址都是虚拟内存下的地址，这个虚拟内存本来一开始在32位下是只有 2^32次方的字节的内存，也就是4个G的内存大小，当时环境的物理内存也差不多只有4个G的内存大小。

但是随着科技发展，内存逐渐便宜并且容量越来越大，这个时候虚拟内存就变小了，无法完全映射到物理内存上。因此64位的进程就出来了，它有着2^64个字节的虚拟内存，大概160亿的G的虚拟内存，非常庞大。

而我们又知道，内存中的每个字节都需要地址，也就是对应的编号，0x00000001之类的，那有264个字节，自然就需要264个地址。那么指针要记录地址，自然需要能存下2^64字节的空间，因此就需要8个字节的大小来存储地址编号，一个字节有8个比特位，8个字节就是也就意味着能存下 2^64个数据。

这就是为什么在32位下指针大小是4个字节，64位下指针大小是8个字节

image-20240605214112018

2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));free(p1);// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);// 这里需要free(p2)吗？free(p3 );
}

在C语言中，我们学习动态开辟内存空间的时候，介绍过三个函数，来搭配free使用，可以达到开辟动态内存空间的效果。

【面试题】

  1. malloc/calloc/realloc的区别？
  2. malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理_bilibili

3. 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。

3.1new/delete操作内置类型

// C++内存管理方式
int main()
{// c++提供new操作符来动态开辟空间int* p1 = new int; // 开辟int类型的空间int* p2 = new int[10]; // 开辟10个int类型的空间int* p3 = new int(10); // 开辟一个int类型的空间，并初始化成10// c++提供delete操作符来释放空间delete p1;delete[] p2; // 数组的话要记得加 []delete p3;return 0;
}

image-20240606000127601

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[]，注意：匹配起来使用。

3.2new和delete操作自定义类型

既然有了malloc 和 free了。那new和 delete有什么意义呢？

  1. 对于内置类型来说，new 和 delete跟malloc和free起到的作用是一样的。
  2. 但是对于自定义的类型来说，new和delete的意义就出来了
// 既然有了malloc 和 free了。那new和 delete有什么意义呢？
// 1.对于内置类型来说，new 和 delete跟malloc和free起到的作用是一样的。
// 2.但是对于自定义的类型来说，new和delete的意义就出来了
// malloc 只会申请空间， new则会申请空间 + 调用构造函数初始化
// free 只会释放空间， delete则会 调用析构函数 + 释放空间 [注意是先析构再释放空间]# include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A()" << endl;}~A(){cout << "~A" << endl;}private:int _a;
};int main()
{// 为自定义类型申请空间下 new和malloc的区别A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A; // 申请空间 + 调用默认构造函数// 为自定义类型对象释放空间下  delete 和 free的区别free(p1); // 释放空间delete p2; // 调用析构函数 + 释放空间return 0;
}

根据调试我们可以知道，p2的成员变量 _a = 0，说明调用了构造函数

image-20240606001649835

p2在调用delete的情况下**，先调用了析构函数，在进行空间的释放**

image-20240606001710219

总结：

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

再来看一个例子来直观的感受一下new 和delete的用处

# include<stdlib.h>
# include<iostream>
using namespace std;typedef struct ListNode
{int _val;struct ListNode* _next; // 兼容C语言的用法ListNode* _prev;// cpp专有用法，因为在c++中struct可以看做一个类,唯一区别就是默认的访问限定符不同ListNode(int val = 0):_val(val),_next(nullptr),_prev(nullptr){}~ListNode(){cout << "~ListNode" << endl;}
}ListNode;int main()
{// 在之前使用C语言来实现链表的时候，我们每次申请节点都要malloc，因此我们会写一个BuyNode函数// 并且函数中，还要编写初始化的代码，但是对于new 和 delete来说，就不用这么麻烦了。ListNode* node1 = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));node1->_val = 0;node1->_next = nullptr;node1->_prev = nullptr;ListNode* node2 = new ListNode;ListNode* node3 = new ListNode(10);// 在C语言中会调用Destroy之类的函数来销毁我们申请的节点free(node1); // Destory函数中是free函数释放空间// c++中使用delete不仅会释放空间，在释放空间之前还会调研析构函数delete node2;delete node3;return 0;
}

调试如下：

image-20240606105731938

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4.operator new 与operator delete函数（重要）

我们来看operator new 和operator delete函数的使用例子：

// operator new与operator delete函数
# include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "ListNode()" << endl;}~A(){cout << "~ListNode" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));	// operator new 的用法和malloc完全一样A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));// operator new和 malloc的不同在于：申请空间失败后的处理方式void* p3 = malloc(INT_MAX * 2);// 我们知道malloc是有可能申请空间失败的，失败会返回空指针，也就是0// 失败要不就是开着开着空间不够开了，要不就是一上来开的太大不够开了if (p3 == NULL){// 之前我们学习过要这样处理perror("malloc()");// malloc(): Not enough space}// 而operator new 在申请失败后，会抛异常// 这里了解一下，后面会学习抛异常// 这里是失败抛异常——是面向对象处理错误的方式try{void* p4 = operator new(INT_MAX * 2);cout << p4 << endl;} catch (exception& e){cout << e.what() << endl;// bad allocation}free(p1);operator delete(p2);// 释放空间失败不会抛异常// p3 p4 都申请失败了 不用释放了return 0;
}

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator ne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。

我们来看看new的底层是如何实现的：

/*
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);
}

其实operator只要不申请失败，和malloc是完全一样的，就是通过malloc实现的，但是如果申请失败，会多出一个抛异常的处理。

  • operator new == malloc + 申请失败抛异常

  • new == operator new + 调用构造函数

因此可以说operator new是为了new操作符而产生。因为new如果直接去调用 malloc的话，申请失败了无法抛异常，而new如果去调用operator new 的话 就既有了申请失败抛异常，又多了调用构造函数

再来看看operator delete的底层是如何实现的：

/*
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); // 这里说明最终是通过free实现的__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

delete如果释放空间失败了不会抛异常。operator delete其实和free是一样的，也是通过free来释放空间的。

  • operator delete == free

  • delete == 调用析构函数 + operator delete

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。

5.new和delete的实现原理

其实之前在讲述new和delete操作自定义类型哪里已经讲述过了。

5.1内置类型

对于内置类型来说，new和delete与malloc 和 free是没有什么区别的，不同的地方在于，new和delete只能对单个元素进行空间的申请和释放，new[]和delete[] 可以对多个元素进行空间的申请和释放。并且new在申请失败之后会抛异常，但是malloc申请失败之后返回NULL

5.2自定义类型

对于自定义类型来说

new的原理：

  • new == 申请空间 + 调用该自定义类型的默认构造函数进行初始化 + 申请失败抛异常

  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：

  • delete == 调用该自定义类型的默认析构函数 + 释放空间
  1. 在空间上调用析构函数，完成对对象中资源的清理工作
  2. 调用operator 函数释放 空间

new T[n]的原理：

  • new T[n] == 申请n个大小为T类型字节的空间 + 调用T类的默认构造函数初始化 + 申请失败抛异常
  1. 调用operator new[]函数，operator new[]函数中实际上调用了n次operator new函数。完成了n个对象空间的申请
  2. 调用n次T类的默认构造函数完成初始化

注意了：

在调用operator new[]函数的时候，operator new[]函数中实际上调用了n次operator new函数。每次调用operator new函数申请空间之后，都会调用构造函数。

delete[]的原理:

  • delete[] = 调用n次T类的析构函数 + 释放空间
  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delete[]函数，该函数中调用了N次delete函数，完成对象空间的释放

6.定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。

我们直接来看代码：

// 定new表达式
//使用格式：
//new (place_address) type或者 new (place_address) type(initializer - list)
# include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "ListNode()" << endl;}~A(){cout << "~ListNode" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{// 我们想要开辟一个空间来存储A类的对象A* p1 = new A; // 我们会通过new来实现空间的开辟 + 调用构造函数delete p1;// 但是有时候，我们拿到了一个类的对象，但是它没有被初始化，这个时候我们就需要定new表达式// 因为我们需要去显式的调用构造函数，而构造函数往往是这个对象在定义的时候默认调用的A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));// 我们拿到了一个p2对象，但是它没有被初始化，也就是没有调用构造函数new(p2)A; // 调用p2所属类的构造函数// new (place_address) type == new(需要调用构造函数的对象)对象所属类名// 还可以传参，让其初始化成我们想给的值new(p2)A(10); // 调用其构造函数并传参// new (place_address) type(initializer - list)return 0;
}

7.常见面试题

7.1 malloc/free 和 new/delete的区别?

  • new和malloc的区别：
  1. 在使用方法上，malloc需要传申请空间的大小，对其返回的指针void*，需要强制转换。但是new就不需要，new只需要传 类型和你想要申请空间的数量。new自动返回对应类型的指针
  2. malloc函数在申请空间失败之后会返回NULL，需要我们手动编写代码判空，new在申请空间失败之后会抛异常
  3. malloc函数只会开辟你想要的空间大小，但是new还会再开辟空间之后，对自定义类型调用其默认构造函数进行初始化。
  4. malloc是函数，new是操作符。
  • free和delete的区别：
  1. free是函数，delete是操作符
  2. free函数使用后，只会释放空间，但是delete的对象类型如果是自定义类型，会调用其析构函数清理对象的资源，再释放空间

7.2内存泄漏

7.2.1什么是内存泄漏？

什么是内存泄漏？

内存泄漏就是我们堆区申请了内存空间来使用，但是由于疏忽等原因，导致我们没有去释放这一部分的空间，并且这一部分内存也没有继续使用了。这样这一部分的内存就因为被占用，无法继续使用了，就导致内存泄漏了。

注意：

内存泄漏并不是物理意义上的泄漏，被占用的内存空间在物理上仍然存在，只是由于被占用了并且不在使用之后，导致无法被继续使用了。也就是系统失去了对该段内存的控制。

void MemoryLeaks()
{// 1.内存申请了忘记释放int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p2 = new int;// 2.异常安全问题int* p3 = new int[10];Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.delete[] p3;
}
7.2.2内存泄漏的危害？

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.

或者设备本身内存很小的情况下，也会影响很大，容易卡死

7.2.3内存泄漏分类（了解）

7.2.2 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：

  • 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。

  • 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

7.2.4内存泄漏检测（了解）

在vs下，可以使用windows操作系统提供的**_CrtDumpMemoryLeaks()** 函数进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{int* p = new int[10];// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏_CrtDumpMemoryLeaks();return 0;
}
// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

因此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜

防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时

一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。

  • 在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具

  • 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明

  • 其他工具：内存泄漏工具比较

7.2.5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

7.2.6如何开辟4个G的内存空间?

在32位下无法申请4个G的内存空间，因为虚拟内存就只有4个G，无法单独给堆区给4个G了。别说4个G了，2个G都无法实现

但是在x64环境下就可以实现

代码如下：

# include<iostream>
using namespace std;int main()
{size_t n = 4;int* p = new int[n * 1024 * 1024 * 1024];cout << "&p:" << p << endl;return 0;
}

image-20240607010219582

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在当今的数字化工作环境中&#xff0c;实时监控电脑屏幕软件是企业管理、远程协助、教育监控等领域不可或缺的工具。 这些软件能够帮助管理者了解员工的工作状态、提升团队协作效率、确保数据安全&#xff0c;同时在家庭教育和远程技术支持中也有广泛应用。 以下是精选的几款实…
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创意SQL，高考祝福！一起为学子们加油助威！

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&#x1f4e2;&#x1f4e2;&#x1f4e2;&#x1f4e3;&#x1f4e3;&#x1f4e3; 作者&#xff1a;IT邦德 中国DBA联盟(ACDU)成员&#xff0c;10余年DBA工作经验&#xff0c; Oracle、PostgreSQL ACE CSDN博客专家及B站知名UP主&#xff0c;全网粉丝10万 擅长主流Oracle、My…
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