# C++初阶——内存管理

C++初阶------内存管理

一、C/C++内存分布

1.C/C++内存分布示意图

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，堆是可以向上增长的。
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.根据示意图，我们来看下面这段代码：

这里涉及到很多变量，它们各在内存中的什么位置呢？

globalVar：全局变量------数据段
staticGlobalVar：静态变量------数据段
staticVar：静态变量------数据段
localVar：局部变量------栈
num1：数组名（指针变量）------栈
char2：数组名（指针变量）------栈
pChar3：数组名（指针变量）------栈
ptr1：指针变量（局部变量）------栈
ptr2：指针变量（局部变量）------栈
ptr3：指针变量（局部变量）------栈
*char2:解引用得到的字符串也是局部的------栈
*pChar3：解引用得到的字符串是常量------代码段
*ptr1：解引用得到的空间在堆上------堆
sizeof(num1) = 40 （sizeof(数组名))表示的是计算这个数组的大小，这里的数组名不能理解为首元素的地址，这是为数不多的例外）
sizeof(char2) = 5（后面会补一个'\0'）
strlen(char2) = 4（到'\0'前就结束）
sizeof(pChar3) = 4或8（这里的pchar3不是什么字符数组，后面没有方括号，就是一个指针 ，指针大小是4或者8，这个取决于不同的设备环境）
strlen(pChar3) = 4（读到'\0'之前）
sizeof(ptr1) = 4或8（指针变量）
我们再看一下这段代码，了解一下数组和字符串的区别：

二、C语言中动态内存管理方式

1.malloc

分配指定字节的为初始化的内存
malloc(size_t size)

2.realloc

扩容，若原内存快后方有足够空间，直接扩展；若空间不足，申请新内存块，复制数据并释放旧内存。
realloc(void* ptr, size_t newsize)

3.calloc

开辟空间+将所有数据初始化成0，相当于malloc+memset(0)。
calloc(size_t num, size_t size)

4.free

释放空间。

三、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。

1. new/delete操作内置类型

p1指针变量指向从堆上开辟的一个整型的空间，现在只是开了空间，还没有初始化，是随机值：
p2不同于p1，它开了10个整型的空间，用方括号表示数量，但是没有初始化：
p3加上了初始化，用圆括号：
p4是将开辟的数组初始化，其中前三个对应初始化的值，后面的自动初始化成0：
再和之前的malloc对比一下：

2.new和delete操作自定义类型

new/delete和malloc/free最大区别是new/delete对于自定义类型除了开空间还会调用构造函数和析构函数。

我们先来看一下自定义类型：

这里我们写了构造函数和析构函数，并且用malloc/free、new/delete两组来进行测试，使用new/delete会自动调用构造函数和析构函数；
我们再来看一下内置类型：

很显然，和malloc/free没有什么区别；
开辟多个对象的空间：

这里开了十个对象的空间，调用了10次构造函数和析构函数。

四、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。
operator new实际也是通过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。

代码如下：

bash 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)

五、new和delete的实现原理

1.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。

2.自定义类型

（1）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

（2）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（注意先后顺序）

（3）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

（4）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。

六、定位new表达式(placement-new)

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。

七、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：

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。
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。
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。

八、本期总结+下期预告

本期内容详细介绍了C++的内存管理方式，从下期内容开始，将为大家带来模板以及标准模板库（STL）的相关内容！

感谢大家的关注，我们下期再见！

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