系统性学习C++-第五讲-内存管理
- [1. C/C++ 内存分布](#1. C/C++ 内存分布)
- [2. C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free](#2. C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free)
- [3. C++ 内存管理方式](#3. C++ 内存管理方式)
-
- [3.1 new / delete 操作内置类型](#3.1 new / delete 操作内置类型)
- [3.2 new 和 delete 操作自定义类型](#3.2 new 和 delete 操作自定义类型)
- [4. operator new 与 operator delete 函数](#4. operator new 与 operator delete 函数)
- [5. new 和 delete 的实现原理](#5. new 和 delete 的实现原理)
-
- [5.1 内置类型](#5.1 内置类型)
- [5.2 自定义类型](#5.2 自定义类型)
- [6. 定位 new 表达式 ( placement-new )](#6. 定位 new 表达式 ( placement-new ))
- [7. malloc / free 和 new / delete 的区别](#7. malloc / free 和 new / delete 的区别)
1. C/C++ 内存分布
我们先来看下面的一段代码和相关问题：
cpp
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);
}
1. 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？____下面我们对选项一一进行解析、讲解：
-
globalVar在全局中定义，属性为全局变量，存储在 C.数据段（静态区） 中 -
staticGlobalVar在全局中定义，属性为静态的全局变量，与全局变量的差异仅在链接属性上，并不影响存储区域，存储在 C.数据段（静态区） 中 -
staticVar在局部中定义，但为静态变量，所以存储在 C.数据段（静态区） 中 -
localVar在局部中定义，属性为局部变量，所以存储在 A.栈 中 -
num1在局部中定义，属性为局部变量，所以存储在 A.栈 中 -
char2在局部中定义的指针，指向字符数组首元素的地址，所以存储在 A.栈 中 -
*char2指向char2字符数组的首元素a，字符串的存储，若非const指针变量进行解引用，一般是指向的并未是存储在 D.代码段(常量区) 中的字符串，而是拷贝存放在栈中的字符串，所以存储在 A.栈 中 -
pChar3在局部中定义的const指针，存储为止并不会因为const修饰而改变，所以存储在 A.栈 中 -
*pChar3这时的情况就如我们在 7 中所说，此时是const指针变量进行解引用，会直接指向存储在 D.代码段(常量区) 中的字符串，所以这时*pChar3存储在 D.代码段(常量区) 中 -
ptr1在局部中定义的指针，属性为局部变量，所以存储在 A.栈 中 -
*ptr1指针指向的为一处malloc开辟出来的空间，故*ptr1存储在 B.堆 中
将我们上述解析总结为一张图即为：
💡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。
2. C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free
cpp
void Test ()
{
// 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 );
}这里并不对第一个问题再进行赘述了，想要详细了解的读者请移步到我主页讲解C语言内存管理的文章进行观看。
下面对第二个问题进行解答，答案是：并不需要 free(p2) 。
p3 的返回值为 (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10); 所以我们此时要注意：
- 若
realloc成功，无论是否迁移内存，原指针p2都可能失效（若迁移，原内存已被自动释放；若未迁移，p2和p3指向同一地址，但后续应使用p3）。
因此，p2 在 realloc 后不应再被使用（包括 free ），否则可能导致重复释放（若 realloc 已释放原内存）或野指针操作。
最终只需释放 p3 即可，代码中 free(p3) 是正确的，无需额外 free(p2) 。
3. 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
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[]，这涉及到一些底层代码的问题，所以一定要匹配起来使用。
3.2 new 和 delete 操作自定义类型
cpp
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
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
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。
4. 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。
下面是早些年编译器对于 operator new 和 operator delete 实现的源码，配合上注释我们就能对其一探究竟。
cpp
/*
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。
5. new 和 delete 的实现原理
5.1 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 。
5.2 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-
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
-
6. 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：
cpp
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
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << 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));
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;
}7. 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