【与C++的邂逅】--- C/C++内存管理

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C++中我们总是提到管理资源，资源可以从内存中申请，前提是我们得知道C++对内存管理的布局，本节我们就来学习这块的内容。

🏠 C/C++内存分布

我们先来看以下代码：

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);
}

对于上述代码中的各个变量它们分别在哪些区域呢？

注：对于char2他是在栈上开5个字节，然后复制在常量区的"abcd"，所以如果问*char2，这里指的是首元素字符'a'，他就是在栈上。

说明：

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。
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。

🏠 C语言中动态内存管理方式

malloc

cpp 复制代码

void* malloc(size_t size);

malloc这个函数功能是向内存(堆区)申请一块指定字节大小连续可用的空间，如果开辟成功，返回一个指向开辟好空间的指针；开辟失败，返回一个NULL指针。

free

cpp 复制代码

void free(void* ptr);

free函数专门用来释放动态开辟的内存，如果参数ptr指向空间不是动态开辟，free函数的行为是未定义的；如果参数是NULL指针，则函数什么事也不做。

calloc

cpp 复制代码

void* calloc(size_t num,size_t size);

calloc函数功能也是用来开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功，则返回num个大小为size的连续空间的首地址且空间的每个字节都被初始化为0；如果开辟失败，则返回空指针。

realloc

cpp 复制代码

void* realloc(void* ptr,size_t size);
//ptr是要调整的内存地址
//size是调整好新大小
//返回值为调整之后的内存起始地址

realloc函数可以调整动态开辟好的内存的大小，如果开辟成功则返回调整好之后的内存起始地址，反之开辟失败则返回空。

realloc函数调整动态内存大小的时候会有三种情况：

1.原有空间之后有足够大空间。此时realloc函数直接在原空间后方进行扩展空间，并返回该内存空间首地址。

2.原有空间之后没有足够大空间。此时realloc函数会在堆区重新找一块合适大小的连续空间使用，把原空间数据拷贝到新空间中，并主动将原空间内存释放，返回新内存空间的起始地址。

3.扩容失败。对于第一第二种情况都没有合适空间，此时就是开辟内存失败，返回NULL。

cpp 复制代码

// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3 );

对于p3它可能是异地扩充，也可能是原地扩充；如果是原地扩容p2和p3指向同一块空间，free(p3)就能把这块空间释放；如果是异地扩容，此时原空间也就是p2指向空间已经被主动释放归还给操作系统。因此不需要free(p2)了。

🏠 C++中动态内存管理

📌 new/delete操作内置类型

cpp 复制代码

int* p1 = new int;//默认不初始化
int* p2 = new int(10);//但是可以初始化

int *p3 = new int[3];//多个元素也是默认不初始化
int* p4 = new int[3]{1,2}; //剩下的一个元素初始化为0

delete p1;
delete p2;
delete[] p3;
delete[] p4;

说明：

new + 内置类型是动态申请一个内置类型的空间。
申请某个内置类型的空间默认不初始化，但可以手动用括号进行初始化。
new + 内置类型[size]是申请连续size个内置类型空间。
申请连续空间时默认不初始化，但也是可以对指定元素初始化，指定个数小于数组元素个数则剩下初始化为0.
释放单个元素的空间时，要用delete操作符释放空间；释放连续空间时，要用delete【】释放。注意不能混着用！

new操作内置类型时，除了用法方便，其他和malloc没什么区别。new主要是给自定义类型设计的。

📌 new/delete操作自定义类型

cpp 复制代码

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* pa = (A*)malloc(sizeof(A));
	return 0;
}

如果用malloc申请一个自定义类型元素的空间，此时它的成员变量是没有进行初始化的。

cpp 复制代码

A* p2 = new A;
A* p3 = new A(2);

delete p2;
delete p3;

用new申请自定义类型空间时，此时会new完成的任务是申请空间分配地址+调用默认构造函数。当然你也可以显示调用其他构造。而delete完成的任务是先调用析构清理资源，再释放内存空间。

cpp 复制代码

A* p4 = new A[10];//调用10次构造
delete[] p4; //调用10次析构

//自定义类型数组初始化
A aa1(1);
A aa2(2);
A aa3(3);
A* p5 = new A[10]{aa1,aa2,aa3};
delete[] p5;

用new申请自定义类型的一块连续空间时，用法与内置类型一样，不同的是，申请完空间后，会对申请每个对象调用构造 ；同样的，释放空间需要delete[ ],此时会先调用对象个数次的析构再释放空间。如果对一部分指定初始化，剩下的会调用默认构造。

当然我们可以使用隐式类型转换使初始化变得方便

cpp 复制代码

A* p6 = new A[10]{1,2,3,{6,7}};
//注前面1,2,3是单参数隐式类型转换 {6,7}是多参数隐式类型转换

总结：

1.C++中如果想申请内置类型的对象或数组，用new/delete和malloc/free没什么区别，只不过new/delete更方便些。

2.如果想申请自定义类型的对象或数组，new/delete分别是开空间+构造函数，析构函数+释放空间；malloc和free仅仅是申请空间和释放空间。

3.综上所述，C++中我们建议无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量使用new和delete。

🏠 operator new和operator delete

operator new和operator delete

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。

operator new/operator delete的用法和malloc/free完全一样，都是用来申请和释放空间。

cpp 复制代码

int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申请
operator delete(p1); //销毁

//上面等价于
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
free(p2);

实际上operator new 也是通过malloc来申请空间 ，operator delete 最终也是通过free来释放空间的。

将malloc封装成operator new主要是为了失败抛异常的机制，如果malloc申请空间成功直接返回，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，否则抛异常。而operator delete是为了一致性才封装free.

cpp 复制代码

ListNode* n1  = new ListNode(1);
ListNode* n2  = new ListNode(2);
ListNode* n3  = new ListNode(3);

n1->_next = n2;
n2->_next = n3;

在C语言实现链表这个数据结构申请节点时，我们需要判断申请是否成功，需要写if判断malloc返回值，有了new之后，如果失败了它会抛异常，不需要我们检查返回值。

辨析

1.operator new是给对象申请空间的，而构造函数是给对象中成员及其某些指向其他资源的成员初始化的。

2.operator delete是用来释放对象空间的，而析构函数是用来清理某些成员指向的空间资源。

🏠 new和delete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

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。

2.在申请空间上执行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。

2.调用operator delete[ ]释放空间，实际在operator delete[ ]中调用operator delete来释放空间。

如果我们申请和释放空间时，错配使用，比如new出来的，用free释放会发生什么呢?

cpp 复制代码

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A & aa) " << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	int* p3 = new int[10];
	free(p3);
	A* p2 = new A[10];
	free(p2);
	return 0;
}

对于p3，申请内置类型由于new实际是用malloc申请空间，所以用free释放不会有什么问题；但对于p2则会报错。

我们打开监视窗口查看,我们new出来A对象个数应该是10个,为什么申请的是44个字节呢?

其实这多出来的个数是存的对象个数,由于你显示写了析构,编译器会认为你这个析构是需要调用的,因此开头多开空间存了创建对象个数,导致实际空间起始地址发生偏移,而delete和free只会释放原来的起始地址导致报错,delete[ ]则会偏移到正确释放位置.

总结: 不要错配使用,一定要匹配使用,否则结果不确定.

🏠 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.
析构函数是能够显示调用的而构造不行,如果我们想模仿new的行为,此时我们可以使用定位new.

cpp 复制代码

//模拟new
A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p1)A(10); //对已有空间显示调用构造

//模拟delete
p1->~A();
operator delete(p1);

//模拟new[]
A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A)*10);
for(int i = 0 ; i < 10;++i)
{
  new(p2+i)A(i); //用循环更好控制
}

//模拟delete[]
for(int i = 0 ; i < 10;i++)
{
   (p2+i)->~A();
}
operator delete[](p2);

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，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化.

注:在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行.

🏠 常见面试题

📌 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.

本节我们认识C++中动态内存管理方式new/delete以及new[ ]/delete[ ],以及他们的实现原理,我们建议在C++中使用他们来申请和释放内存.

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🏠 C语言中动态内存管理方式

🏠 C++中动态内存管理

📌 new/delete操作内置类型

📌 new/delete操作自定义类型

🏠 operator new和operator delete

🏠 new和delete实现原理

📌 内置类型

📌 自定义类型

🏠 定位new表达式

🏠 常见面试题

📌 malloc/free和new/delete的区别?

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