C/C++内存管理

1.C/C++内存分布

上来先试试水

答案:C C C A A     A A A D A B

数组是在栈上开辟的局部变量,数组名就是首元素的地址

*char2 是指向将常量区的常量字符串拷贝到到的char2

局部指针也是在栈上,*pchar3是指首元素地址是指向常量区的

*ptr1指针解引用是指向动态开辟的空间(在堆上)

局部变量都是在栈上的,因为函数的调用会建立栈帧,即用即销毁,函数结束栈帧销毁

分区其实分的是生命周期,各个区域的变量生命周期和管理方式也是不一样的。

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方面会主要讲解)

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(静态区)--存储全局数据和静态数据。

5. 代码段(常量区)--可执行的代码/只读常量。

这方面的知识大家可以去看《程序员的自我修养》这本书,非常值得一看。

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

这三个函数都用于在程序运行时动态地分配内存。

它们通常用于需要动态调整内存大小的情况,如处理可变长数组、动态数据结构等。

这些函数分配的内存都需要在使用完毕后通过free函数来释放,以避免内存泄漏。

这里不需要释放p2,因为p3是realloc开辟的空间,p2被扩容了。

如果是原地扩,p2和p3指向同一块空间,释放p3就是释放p2。

如果是异地扩,释放p3之前p2就已经被释放了。

面试经常问的题目

1.malloc/calloc/realloc的区别

2.malloc的实现原理  【CTF】GLibc堆利用入门-机制介绍_哔哩哔哩_bilibili

2.1 malloc

用于在堆区申请一块连续的指定大小的内存块区域,并以void*类型返回分配的内存区域地址。

它不会进行内存初始化,即分配的内存区域可能包含任意数据。

接受一个参数,即需要分配的内存大小(以字节为单位),并返回一个指向分配内存的指针,如果分配失败则返回NULL。

适用于在程序运行时根据需要动态分配内存的情况,特别是当内存不需要初始化时。

2.2 calloc

与malloc类似,也是用于动态地分配内存空间,但calloc会在分配内存时自动将内存清零,即将分配的内存区域的每一位都初始化为零。因此,calloc也被称为“零初始化内存分配器”。相当于malloc加上memset。

接受两个参数,第一个参数表示要分配的元素个数,第二个参数表示每个元素的大小(以字节为单位)。它也返回一个指向分配内存的指针,如果分配失败则返回NULL。

适用于需要分配并初始化内存的情况,特别是在分配数组或结构体等数据结构时,使用calloc可以避免手动初始化的繁琐操作。

2.3 realloc

用于重新分配之前通过malloc、calloc或realloc分配的内存块。

它允许改变已分配内存块的大小,并根据需要调整内存块的位置。如果重新分配的内存块比原来的大,新增的内存部分不会被初始化,动态增长,动态扩容。

接受两个参数,第一个参数是指向要重新分配的内存块的指针,第二个参数是要为新的内存块分配的字节数。它返回重新分配后的内存块的指针,如果重新分配失败则返回NULL。

适用于在已分配内存的基础上调整内存大小的情况,特别是在处理可变长数组或动态数据结构时非常有用。

2.4 free

在C语言中,free函数是一个非常重要的内存管理函数。

只能释放动态内存:它的主要作用是释放之前通过malloc、calloc或realloc函数动态分配的内存空间。对于使用其他方式分配的内存(如静态分配的变量),使用free函数将导致未定义的行为。

避免重复释放:对同一块内存多次调用free函数会导致未定义的行为。因此,在释放内存后,应避免继续访问或再次释放该内存块。

释放后不再使用:释放内存后,不要再使用该内存空间,否则会导致未定义的行为。为了避免悬空指针问题,可以在释放内存后将指针设置为NULL。

free(NULL)是安全的:如果向free函数传递NULL指针,它不会执行任何操作,也不会导致错误。因此,在释放内存之前,可以检查指针是否为NULL,以避免重复释放内存的问题。

free函数接受一个指向动态分配内存的指针作为参数,而不是直接释放内存块的大小。

2.4.1释放动态内存

ree函数将之前分配的内存块标记为可用状态,使其能够被重新分配给其他需要内存的程序。

2.4.2避免内存泄漏

使用free函数可以避免内存泄漏问题,确保在不再需要使用某块内存时将其释放,以便系统可以重新利用该内存。

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。

32位    2^32byte    指针是4byte    00000000---FFFFFFFF 栈:8M  堆:1.8G

64位    2^64byte    指针是8byte    0000000000000000---FFFFFFFFFFFFFFFF

有兴趣的可以去看《深入理解计算机系统》,里面讲解了关于虚拟存储器方面的知识

3.1静态内存分配

静态内存分配在程序编译期间就确定变量所需的内存空间,并在程序运行时分配固定大小的内存空间。这种方式主要用于全局变量、静态变量以及函数内的static变量。这些变量在程序的整个生命周期内都存在,无需手动释放,程序结束时自动释放。

3.2动态内存分配

3.2.1new/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[],注意:匹配起来使用。

3.2.2new/delete操作自定义类型

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。

自定义类类型没有写析构函数,没有要释放的资源,编译器就会优化,就不会多开4个字节存放个数,delete就会直接调用free释放空间。

3.3智能指针

智能指针是C++11引入的一种自动管理动态分配内存的类模板。它们通过封装原始指针并提供自动释放内存的功能,来避免内存泄漏和悬空指针等问题。常见的智能指针包括:

  • std::unique_ptr:独占式拥有指针,保证只有一个智能指针指向对象。当unique_ptr离开作用域时,它会自动释放所管理的内存。
  • std::shared_ptr:共享式拥有指针,多个智能指针可以指向同一个对象,并自动管理引用计数。当最后一个shared_ptr离开作用域时,它会自动释放所管理的内存。
  • std::weak_ptr:一种弱引用智能指针,它不会增加对象的引用计数,因此不会阻止对象被销毁。weak_ptr通常用于解决shared_ptr之间的循环引用问题。  

3.4RAII(资源获取即初始化)

RAII是一种编程技术,它通过在对象的构造函数中申请资源(如内存、文件句柄等),在析构函数中释放资源,来确保资源的正确管理。RAII可以有效避免内存泄漏和资源泄漏等问题。在C++中,许多标准库类和用户自定义类都采用了RAII技术来管理资源。

3.5内存池

内存池是一种高效的内存管理方式,它预先申请一块固定大小的内存空间,然后根据需要从内存池中分配和释放内存。这种方式可以避免频繁的内存分配和释放操作,提高程序性能。内存池通常用于需要频繁分配和释放小内存块的场景,如网络通信、图像处理等。

4.operator new 和 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。

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(重点)

5.1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。

5.2自定义类型

5.2.1new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

5.2.2delete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

5.2.3new 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

5.2.4delete[]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

6.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。

        

7.malloc/free和new/delete的区别

共同点:

都是从堆上申请空间,并且需要用户手动释放。

不同点:

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, 如果是多个对象,[]中指定对象个数即可

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 空间中资源的清理释放

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