C/C++内存管理 - 技术栈

P. S.：以下代码均在VS2019环境下测试，不代表所有编译器均可通过。 P. S.：测试代码均未展示头文件stdio.h的声明，使用时请自行添加。

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文章目录

[1、C / C++内存分布](#1、C / C++内存分布)
[2、 C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free](#2、 C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free)
3、C++的内存管理方式
- new和delete操作自定义类型
[4、 operator new与operator delete函数](#4、 operator new与operator delete函数)
- [**operator new与operator delete函数（重点）**](#operator new与operator delete函数（重点）)
[5 、new和delete的实现原理](#5 、new和delete的实现原理)
- 内置类型
- 自定义类型
[6、定位new表达式(placement-new) （了解）](#6、定位new表达式(placement-new) （了解）)
7、总结：malloc/free和new/delete的区别

1、C / C++内存分布

先来看一段代码：

cpp 复制代码

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";
	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);
}

选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
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
pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B

填空题：
sizeof(num1) = 40 ;
sizeof(char2) = 5 ; strlen(char2) = 4 ;
sizeof(pChar3) = 4/8 ; strlen(pChar3) = 4 ;
sizeof(ptr1) = 4/8;

这里给出一张图：

C/C++程序内存分配的几个区域：

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。
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
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段--存储全局数据和静态数据。
代码段--可执行的代码/只读常量。

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

代码演示：

cpp 复制代码

void Func()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	free(p2);

	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
}

malloc
在内存的动态存储区中分配一块长度为size字节的连续区域，参数size为需要内存空间的长度，返回该区域的首地址。
calloc
与malloc相似，但是calloc会将所分配的内存空间的每一位都初始化为0。
realloc
给一个已经分配了地址的指针重新分配空间，可以做到对动态开辟内存大小的调整。
【面试题】malloc/calloc/realloc的区别

函数malloc不能初始化所分配的内存空间，而函数calloc可以如果malloc函数分配的空间内存原来没有被使用过，其中的每一位可能都是0，相反，如果这部分空间被使用过，那么其中可能留有各种各样的数据，也就是说，malloc函数的程序开始时（内存空间还未被分配）可以正常运行，但运行一段时间以后（内存空间已经被分配）可能会出现问题。
函数calloc可以将所分配的内存空间的每一位都初始化为0如果是字符类型或者整数类型的元素分配类型，那么这些元素会保证被初始化为0，如果是指针类型的元素分配类型，那么这些元素会被初始化为空指针。
函数malloc向系统申请分配指定Size个字节的内存空间，返回类型是void类型，void类型表示为确定类型的指针， C/C++中规定，void*类型可以强制转换成其他任意类型的指针。
realloc函数可以对给定的指针所指向的空间进行缩小或放大，无论是放大还是缩小，空间内容都不会改变，但是，在缩小的时候，被缩小的那一部分空间的内容会丢失，realloc并不保证调整后的内存空间和调整前的内存空间保持同一内存地址，realloc返回的指针可能会指向一个新的内存地址。
realloc是从堆上分配内存的.当扩大一块内存空间时，realloc()试图直接从堆上现存的数据后面的那些字节中获得附加的字节，如果能够满足，此时即原地扩；如果数据后面的字节不够，那么就使用堆上第一个有足够大小的自由块，现存的数据然后就被拷贝至新的位置，而老块则放回到堆上.这句话传递的一个重要的信息就是数据可能被移动，即异地扩。

3、C++的内存管理方式

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。

cpp 复制代码

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];

	// 动态申请10个int类型的空间并初始化
	int* ptr7 = new int[10]{ 9, 8, 7, 4, 5 };

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
}

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和delete操作自定义类型

申请空间时： malloc只开空间，new既开空间又调用构造函数初始化。
释放空间时： delete会调用析构函数，free不会。

malloc和free：

malloc的对象只是开辟了空间，并没有初始化，free后也只是普通的释放。

new和delete：

使用new，既可以开辟空间，又调用了构造函数从而完成初始化，而delete时调用了析构函数，以此释放空间。

4、 operator new与operator delete函数

operator new与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。

注意：operator new和operator delete不是对new和delete的重载，这是两个库函数。

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 。

operator new本质是封装了malloc。operator delete本质是封装了free。

具体使用operator new和operator delete的操作如下：:

cpp 复制代码

int main()
{
	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));
	operator delete(p1);

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (p2 == NULL)
	{
		perror("申请失败！！");
		return;
	}
	free(p2);

	return 0;
}

operator new和operator delete的功能和malloc、free一样。也不会去调用构造函数和析构函数。不过还是有区别的：

1、operator new不需要检查开辟空间的合法性。

2、operator new开辟空间失败就抛异常。

5 、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：

不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

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理

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。
在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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
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

cpp 复制代码

class Test
{
public:
	Test(int date = 1)
		:_date(date)
	{
		cout << "Test()" << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test()" << endl;
	}
private:
	int _date;
};

int main()
{
	// pt现在指向的只不过是与Test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
	Test* pt1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	//new (place_address) type
	new(pt1)Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参

	//new(place_address) type(initializer - list)
	Test* pt2 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	new(pt2)Test(10);
}

7、总结：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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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