C/C++記憶體管理基礎與面試

2022-07-02 14:00:49

1.C/C++記憶體分佈

棧又叫堆疊，非靜態區域性變數/函數引數/返回值等等，棧是向下增長的。
記憶體對映段（共用區）是高效的I/O對映方式，用於裝載一個共用的動態記憶體庫。使用者可使用系統介面建立共用共用記憶體，做程序間通訊。
堆用於程式執行時動態記憶體分配，堆是可以上增長的。
資料段（靜態區）--儲存全域性資料和靜態資料。
程式碼段（常數區）--可執行的程式碼/唯讀常數。

下面看一段程式碼

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	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);
}
//globalVar靜態區 staticGlobalVar靜態區 staticVar靜態區  localVar棧區
//num1棧區（是陣列）  char2棧區（是陣列，首元素地址）   *char2棧區（是首元素），注意：char2並不是常數字串，"abcd"才是，而char2是將"abcd"拷貝了一份，在棧區
//pChar3棧區（是指標）  *pChar3常數區（是常數字串）
//ptr1棧區（是指標） *ptr1堆區

2.C語言中動態記憶體管理方式

malloc/calloc/realloc 和 free

3.C++中動態記憶體管理方式

new，delete

3.1 對於內建型別

new/delete和malloc/free 針對內建型別沒有任何差別，只是用法不一樣

	// 申請一個10個int的陣列
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	int* p2 = new int[10];// new/delete new[]/delete[]一定要匹配，否則可能會出錯
	free(p1);
	delete[] p2;//這裡不要忘了[]
	// 申請單個int物件
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

3.2 對於自定義型別

對於自定義型別，new和delete會開闢空間+初始化，解構+釋放空間

malloc/free只開闢空間，釋放空間

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 malloc只是開空間 free釋放空間
	struct ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	free(n1);
	 //C++ new 針對自定義型別，開空間+建構函式初始化
	 //delete 針對自定義型別，解構函式清理 + 釋放空間
	ListNode* n2 = new ListNode(5);   // -> 相當於c語言中BuyListNode(5) 
	delete n2;
	//申請陣列
	struct ListNode* arr3 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode)*4);
	free(arr3);
	ListNode* arr4 = new ListNode[4]{1,2,3,4};//陣列初始化可以用{}
	delete[] arr4;
	//那麼，new內建型別的時候也可以進行初始化
	//int* p1 = new int(0);
	//int* p2 = new int[4]{ 1, 2, 3, 4 };
}

3.3 new的底層原理

new = operator new（庫函數） + 建構函式

operator new = malloc + 失敗拋異常機制

其實operator new和malloc用法是完全一樣的，功能都是在堆上申請釋放空間，只是失敗了處理方式不一樣，malloc失敗返回NULL，operator new失敗以後拋異常

4. 常見的面試題

（1）malloc和new的區別

相同點：都是從堆上申請空間，並且需要使用者手動釋放。

區別：

malloc和free是函數，new和delete是操作符
malloc申請的空間不會初始化，new可以初始化
malloc申請空間時，需要手動計算空間大小並傳遞，new只需在其後跟上空間的型別即可
malloc的返回值為void*, 在使用時必須強轉，new不需要，因為new後跟的是空間的型別
malloc申請空間失敗時，返回的是NULL，因此使用時必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常
申請自定義型別物件時，malloc / free只會開闢空間，不會呼叫建構函式與解構函式，而new在申請空間後會呼叫建構函式完成物件的初始化，delete在釋放空間前會呼叫解構函式完成空間中資源的清理

（2）malloc/new最大能申請多大的空間？如何malloc出4G的空間？

32位元下面，最多2G左右；在64位元下面申請

（3）記憶體漏失

1）什麼是記憶體漏失，記憶體漏失的危害？

什麼是記憶體漏失：記憶體漏失指因為疏忽或錯誤造成程式未能釋放已經不再使用的記憶體的情況。記憶體漏失並不是指記憶體在物理上的消失，而是應用程式分配某段記憶體後，因為設計錯誤，失去了對該段記憶體的控制，因而造成了記憶體的浪費。
記憶體漏失的危害：長期執行的程式出現記憶體漏失，影響很大，如作業系統、後臺服務等等，出現記憶體漏失會導致響應越來越慢，最終卡死。

2）如何避免記憶體漏失

工程前期良好的設計規範，養成良好的編碼規範，申請的記憶體空間記著匹配的去釋放。ps：這個理想狀態。但是如果碰上異常時，就算注意釋放了，還是可能會出問題。需要下一條智慧指標來管理才有保證。
採用RAII思想或者智慧指標來管理資源。
有些公司內部規範使用內部實現的私有記憶體管理庫。這套庫自帶記憶體漏失檢測的功能選項。
出問題了使用記憶體漏失工具檢測。ps：不過很多工具都不夠靠譜，或者收費昂貴。

總結一下 : 記憶體漏失非常常見，解決方案分為兩種：

1 、事前預防型。如智慧指標等。

2 、事後查錯型。如洩漏檢測工具。

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