【C++】内存管理

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。

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

2.1 malloc

malloc，分配指定字节数的内存块，对其不进行初始化。语法(void* malloc(size_t size);),成功返回分配内存的指针，失败返回NULL.

cpp 复制代码

int *arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配足够存放 10 个整数的内存
if (arr == NULL) {
    // 处理分配失败
}

2.2 calloc

calloc，分配指定数量的内存块，并将其初始化为0。语法(void* calloc(size_t num, size_t size);)成功返回分配内存的指针，失败返回NULL.

cpp 复制代码

int *arr = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 分配足够存放 10 个整数的内存并初始化为 0
if (arr == NULL) {
    // 处理分配失败
}

2.3 realloc

realloc，调整已分配内存块的大小。语法(void* realloc(void* ptr, size_t new_size);)，若成功则指向新内存块的指针，原内存块销毁；若失败则返回NULL，原内存块保持不变。

cpp 复制代码

int *new_arr = (int*)realloc(arr, 20 * sizeof(int)); // 调整内存块大小以容纳 20 个整数
if (new_arr == NULL) {
    // 处理调整失败
    // 旧内存块仍然有效
}

2.4 free

free释放内存，同一块内存只能释放一次

cpp 复制代码

free(arr); // 释放之前分配的内存

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。

3.1 new/delete操作内置类型

cpp 复制代码

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr1 = new int;
    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr2 = new int(10);
    // 动态申请10个int类型的空间
    int* ptr3 = new int[10];
    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
}

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码

class A {
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		std::cout << "A(int a = 0)" << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "~A()" << std::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
	*/
	A* aa1 = new A();
	A* aa2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(aa2);
	delete aa1;
 
	/* 对于内置类型来说，其并没有什么区别 */
	int* p1 = new int();
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
 
	A* aa3 = new A[10];
	A* aa4 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	free(aa4);
	delete[] aa3;
	return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，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）

4.1 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。

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)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

4.2 new和delete的实现原理

4.2.1 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。

4.2.2 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

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

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

五、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 A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		std::cout << "A():" << this << "->" << _a << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "~A():" << this << std::endl;
	}
private:
	int _a;
};
// 定位new/replacement new
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));
	/* 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参 */
	new(p1)A;
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

六、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

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

完

希望这篇小小文章可以为你解答疑惑！

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