C/C++内存管理 - 技术栈

一、C/C++内存分布

阅读下面代码，思考下面代码分别在哪个区域？（栈、堆、数据段（静态区）、代码段（常量区））

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int globalvar = 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);
}

1.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。

2.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。用户可使用系统接口创建共享内存，做进程间通信。

3.堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。

4.数据段------存储全局数据和静态数据。

5.代码段------可执行的代码/只读常量。

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

动态内存管理（之前博客）：

https://blog.csdn.net/2301_81403537/article/details/140696655?spm=1001.2014.3001.5502

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了，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理：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

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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[3];

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

注意：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。

2.new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码

class A {
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a) {
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main() {
	// 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
	// 只申请空间
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	// 申请空间 + 构造函数
	A* p2 = new A(1); 
	// 只释放空间
	free(p1);
	// 析构函数 + 释放空间
	delete p2; 
	// 内置类型是几乎是一样的 
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); 
	int* p4 = new int; 
	free(p3); 
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
	A* p6 = new A[10]; free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

注意：在申请自定义类型时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

四、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 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当措施，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。

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

new的原理：

①调用operator new函数申请空间

②在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
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函数释放对象的空间
new T[N]的原理：

①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在申请的空间上执行N次构造函数
delete[ ]的原理：

①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 delete0中调用operator delete来释放空间

六、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_addres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mew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 A {
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a) {
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main() {
	// p1现在指向的只不过是与A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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A * p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10); p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

七、malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点：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：

①malloc和free都是函数，new和delete是操作符

②malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化

③malloc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

④malloc的返回值为void*，在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间类型

⑤malloc申请空间失败时，返回的时NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常

⑥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