C++入门—内存管理

C/C++内存分布

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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？____

globalVar在哪里？ 答案：C. 数据段(静态区) 解释： globalVar是全局变量，且定义时进行了初始化。它存放在程序的数据段（.data区），程序启动时由系统分配空间，生命周期贯穿整个程序运行期间。
staticGlobalVar在哪里？ 答案：C. 数据段(静态区) 解释： staticGlobalVar是全局静态变量，与普通全局变量一样，都存放在数据段（静态区）。static关键字仅限制其作用域为当前文件，不影响存储位置。
staticVar在哪里？ 答案：C. 数据段(静态区) 解释： staticVar是Test()函数内部的static局部变量。虽然写在函数里，但static使其生命周期延长到整个程序，只初始化一次，因此它存放在数据段（静态区），而非栈区。
localVar在哪里？ 答案：A. 栈 解释： localVar是Test()函数中的普通自动局部变量（auto变量）。每次函数调用时在栈上分配空间，函数结束返回时自动释放。
num1在哪里？ 答案：A. 栈 解释： num1是Test()函数中的局部数组int num1[10]，数组本身以及它的所有元素都分配在栈区（初始化列表的值也会被拷贝到栈上）。
char2在哪里？ 答案：A. 栈 解释： char char2[] = "abcd"; 定义的是一个局部字符数组。编译器会把字符串字面量"abcd"的内容拷贝一份到栈上的数组中，因此char2数组本身及其内容都在栈区。
*char2在哪里？ 答案：A. 栈 解释： *char2 相当于 char2[0]，即该局部数组的第一个元素。因为数组char2在栈上，所以*char2也在栈上。
pChar3在哪里？ 答案：A. 栈 解释： pChar3是一个局部指针变量，它本身（存放地址的那4或8个字节）作为Test()函数的自动变量，分配在栈区。
*pChar3在哪里？ 答案：D. 代码段(常量区) 解释： pChar3指向字符串字面量"abcd"。C语言中字符串字面量存放在只读常量区（.rodata，通常归为代码段/常量区），不能被修改。
ptr1在哪里？ 答案：A. 栈 解释： ptr1是一个局部指针变量，它本身作为Test()函数的自动变量，存放在栈区。
*ptr1在哪里？ 答案：B. 堆 解释： ptr1通过malloc(sizeof(int)*4)动态分配的内存空间位于堆区。*ptr1访问的就是堆上的内存，需要手动free(ptr1)释放

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

C语言中动态内存管理方式

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void Test ()
{
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3);
}

这里需要free(p2)吗？答案是不需要

realloc(old_ptr, new_size) 会尝试接管 old_ptr 指向的内存
如果内存足够，它可能会原地扩展（此时 p3 == p2）
如果原地不够，它会分配新内存 ，把旧数据拷贝过去，然后自动释放旧内存（即 p2 原来指向的那块内存）

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

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3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[]

new/delete操作自定义类型

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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

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

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/*
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)

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

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