【C++】C/C++内存管理模板初阶

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一、 C/C++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

int main()
{int globalVar = 1;static int staticGlobalVar = 1;static int staticVar = 1;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);return 0;
}

💕 这里我们来说明一下：

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

【面试题】

malloc/calloc/realloc的区别？

• malloc 用于开辟一块动态内存，使用时需要指定开辟的空间大小 (字节)，如果开辟成功返回空间的起始地址，如果开辟失败返回 NULL，且不会初始化；
• calloc 的用法和 malloc 类似，只是它有两个参数，第一个参数为元素个数，第二个参数为每个元素的大小，并且它会将该空间中的数据全部初始化为0；
• realloc 用于空间的扩容/缩容，它有两个参数，第一个参数为需要调整的动态内存的起始地址，第二个参数为调整后的空间大小，如果第一个参数为 NULL，则它等价于 malloc；如果扩容，编译器会检查原空间后是否有足够的空间，如果足够，就直接扩容并返回原空间的起始地址，如果不够，就新开辟一块空间，然后将原空间的数据拷贝到新空间并返回新空间的地址，最后再释放原空间；如果缩容，编译器会直接新开辟一块空间，然后拷贝原空间数据到新空间并返回新空间的地址，再释放原空间。

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2. 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。

这里我们需要知道：new和delete是操作符/关键字，所以它们的后面不用加（），只需要直接跟类型即可，当然，new操作符是可以在开辟空间的时候直接初始化的。

💕 new/delete操作内置类型

int main()
{int* p = new int;  // 不会初始化int* p1 = new int(10); // 申请一个int，初始化为10int* p3 = new int[10]; // 申请10个int的对象int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};//在开辟空间时直接初始化int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));if (p2 == nullptr){perror("malloc fail");}delete p;delete p1;delete[] p3;delete[] p4;free(p2);return 0;
}

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。

💕 new/delete操作自定义类型

但是，我们有没有想过这样一个问题，难道new和delete发明出来就是因为比malloc那些C语言的函数写起来更方便吗？很显然并不是这样的。

这是因为：C语言 malloc/calloc/realloc 函数只负责开辟空间，free 函数只负责销毁空间；而C++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。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A* p = (A*)malloc(sizeof(A));free(p);A* pp = new A;delete pp;return 0;
}

这里我们看到只有使用new和delete操作符时才会调用自定义类型的构造函数和析构函数。而malloc与free不会。

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3. operator new与operator delete函数

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。

这里我们先来看一下这个函数底层是如何实现的。

/*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);
}//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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

operator new 实际是通过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。

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4. 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

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5. 定位new表达式

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，需要用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

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6. 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，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。

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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。

💕 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。

💕 如何检测内存泄漏（了解）

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。

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下内存泄露检测：【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】

💕 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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二、模板初阶

1. 泛型编程

如何实现一个通用的交换函数呢？

void Swap(int& left, int& right)
{int tmp = left;left = right;right = tmp;
}void Swap(char& left, char& right)
{char tmp = left;left = right;right = tmp;
}void Swap(double& left, double& right)
{double temp = left;left = right;right = temp;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数。
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

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2. 函数模板

💕 函数模板的概念

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

💕 函数模板的格式

template<typename 类型参数1, typename 类型参数2,......,typename 类型参数n>

返回值类型 函数名(参数列表){}

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{T temp = left;left = right;right = temp;
}

注意： typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

这里我们可以看到，有了函数模板之后，这里就会很方便了。我们就可以使用不同类型的参数来调用同一函数了。

💕 函数模板的原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。 比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码， 对于字符类型也是如此。

💕 函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

这里编译器会根据实参类型自动去推演模板参数的类型，然后去实例化出对应的函数。

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;Add(a1, d1);return 0;
}

该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型。通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错。

注意： 在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。

这个时候我们有两种方法来解决上述问题：

int main()
{int a1 = 10, a2 = 20;double d1 = 10.0, d2 = 20.0;//1. 用户自己来强制转化 Add(a1, (int)d1);//2. 使用显式实例化—— 在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型Add<int>(a1, d1);return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

💕 模板参数的匹配原则

(1) 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{return left + right;
}int main(){Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本return 0;
}

如果一个非模板参数和一个同名的函数模板同时存在，如果我们不显示实例化，编译器会去调用非模板参数，如果我们显示实例化，编译器则会调用函数模板实例化得到的函数。

(2) 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板。

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{return left + right;
}int main(){Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数return 0;
}

(3) 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

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3. 类模板

在我们以前的类中，一个类只能实例一种类型的对象，为了和函数模板一样，所以我们引入了类模板。

💕 类模板的定义格式：

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

下面我们可以使用类模板修改一下Stack这个类：

template<class T>
class Stack
{
public:Stack(int capaicty = 4){_a = new T[capaicty];_top = 0;_capacity = capaicty;}~Stack(){delete[] _a;_capacity = _top = 0;}private:T* _a;size_t _top;size_t _capacity;
};

💕 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

int main()
{//Stack类名，Stack<int>才是类型Stack<int>st1;Stack<double>st2;return 0;
}

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