本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

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用户地址空间

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。
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。

栈是向下生长，堆是向上生长 在栈里先后定义变量a和b，a的地址会比b的大 调用函数建立的栈帧是向下建立的，后进先出~ 从下到上进行销毁

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内存管理方式

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

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

void Test(){
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
}

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[]

new和delete操作自定义类型

对于自定义类型Test类：

class Test{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test(){
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}

private:
	int _data;
};

//	使用malloc/free
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(sizeof(Test) * 10);
	free(p2);
}

输出结果：空。

//	使用new/delete
void Test3(){
	// 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;
}

小结：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。

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operator new与operator delete函数

• 区别：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

• 联系：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，如果用户设置了应对措施，则继续申请，否则抛异常。

源码分析：

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。 源码分析：

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;
}

顺便一提，free的实现是一个宏：

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

通过上述两个全局函数的底层实现知道：

1. 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。

2. operator delete 最终是通过free来释放空间的。

请看代码：

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

	//重载类专属 operator new/ operator delete
	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;
}

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。

其中涉及了空间配置器的知识，这里不展开讲解了，读者可以大致理解为一个二级管理内存的小帮手~

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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
• 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. 在申请到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

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定位new表达式(placement-new)

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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malloc/free和new/delete的区别

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
7. new/delete比malloc/free的效率稍微低点，因为new/delete的底层封装了malloc/free

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例题两则

1. 请设计一个类，该类只能在==堆上==创建对象

方法：构造函数私有化

1. 将类的构造函数与拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。
2. 提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建。

class HeapOnly{
public:
	static HeapOnly* CreateObject(){
		return new HeapOnly;		//只能通过new操作符来创建对象
	}
private:
	HeapOnly() {}
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

2. 请设计一个类，该类只能在==栈上==创建对象

class StackOnly{
public:
	static StackOnly CreateObject(){
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly() {}
};

只能在栈上创建对象，即不能在堆上创建，因此只要将new的功能屏蔽掉即可，即屏蔽掉operator new和定位new表达式 注意：屏蔽了operator new，实际也将定位new屏蔽掉。

class StackOnly{
public:
	StackOnly() {}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};

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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。

分类

C/C++程序中一般关心两种方面内存泄漏：

• 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，比如套接字、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

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。但是如果抛出异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。所以需要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. 使用内存泄漏工具检测。

内存泄漏非常常见，总的来说解决方案分为两种：

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。