C/C++内存管理 - 技术栈

文章目录

前言：
[1. C++内存管理的方式](#1. C++内存管理的方式)
- [1. 1 new/delete的使用方式](#1. 1 new/delete的使用方式)
- [1. 2 new/delete操作自定义类型](#1. 2 new/delete操作自定义类型)
[2. operator new & operator delete函数](#2. operator new & operator delete函数)
- [2. 1 operator new & operator delete的底层逻辑](#2. 1 operator new & operator delete的底层逻辑)
[3. 定位new表达式（location new）](#3. 定位new表达式（location new）)
[4. malloc/free和new/delete的区别](#4. malloc/free和new/delete的区别)

前言：

由于C++是在C语言的基础上开发出来的语言，所以C++的内存管理方式与C语言极度类似。作者在此篇文章中只介绍C++的内存管理方式。

在了解内存管理的方式之前，我们不妨先做一个问题来了解什么是内存。

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(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？____
staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____
localVar在哪里？____
num1 在哪里？____

char2在哪里？____
*char2在哪里？___
pChar3在哪里？____
*pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____
*ptr1在哪里？____

在上述问题中，我们可以得知内存中存在不同的区域，从上至下依次是栈、堆、静态区（数据段）、常量区（代码段）------（不止这几种区域，本篇文章只讨论这四个区域）。那么这几个区域的区别是什么？

【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。
一般局部变量、static修饰的变量和指针存放在这里。
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
一般malloc/calloc/realloc向堆申请空间。
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。

现在再回到上面的问题。我们就可以知道应该怎么解答。

cpp 复制代码

int globalVar = 1;//在函数外面创建，全局变量，存放在静态区
static int staticGlobalVar = 1;//static修饰,并且本身就是全局变量
void Test()
{
static int staticVar = 1;//static函数修饰静态变量的，所以存放在静态区
int localVar = 1;//局部变量，存放在栈区
int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
//num1作为数组名，除了在sizeof和 &num1 中作为地址。其余情况均作为数组首元素的地址，指针存放在栈区
char char2[] = "abcd";//与上面相同，存放在栈区
const char* pChar3 = "abcd";//虽然"abcd"与上面的变量相同。但是上面是数组，这里是指针。位于常量区
//数组指向的字符，师叔祖中被赋值的字符，位于栈
//指针指向的字符，是常量区中的字符，位于常量区
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1作为指针存在栈，ptr1指向的空间位于堆
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(静态区) D.代码段(常量区)
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__

1. C++内存管理的方式

在C++中依然可以使用C语言的内存管理方式。例如：使用malloc 开创空间，或者使用calloc 开创空间并且将空间初始化为0，亦或使用realloc 改变一个空间的大小。这些在C++中都是可以实现的。但是这些方式在C++中的某些地方就会显得捉襟见肘，不够好用。因此，C++推出了自己的内存管理方式：new 和delete。

1. 1 new/delete的使用方式

【注意】;
new 和 delete ，new[ ] 和 delete[ ] 一定要配套使用，不然new[ ]申请数个空间，delete只释放一个空间，就会造成空间泄露。

1. 2 new/delete操作自定义类型

2. operator new & operator delete函数

上文中介绍的new / delete本质上是操作符。在使用操作符后，调用的是operator new & operator delete这两个函数。也就是说，实际开辟空间和释放空间的是operator new & operator delete这两个函数。

2. 1 operator new & operator delete的底层逻辑

operator new & operator delete的本质其实就是对malloc & free的包装。

cpp 复制代码

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

从上面的代码可以知道，operator new & operator delete 实际调用的就是malloc & free 。那么为什么不直接在C++将malloc & free 的功能改进，而是重新设计函数用来它们？其实是因为C++在代码错误的时候，需要抛异常。而malloc 在调用失败的时候返回的是NULL，operator new调用失败则会抛异常。这样就符合C++的设计理念。

3. 定位new表达式（location new）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用一个构造函数初始化对象。

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。

4. 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：

用法上：

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。

功能上：

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。

【注意】

不要将new和delete交叉使用，不然有可能会造成内存泄漏。