C++：内存管理

目录

学习目标

1. C/C++内存分布

2. C/C++动态内存管理

2.1 C动态内存管理

2.2 C++动态内存管理：

3. operator new与operator delete函数

4. new和delete的实现原理

5. 定位new表达式

学习目标

1. C/C++内存分布
2. C/C++动态内存管理（malloc,free 与new ,delete）
3. operator new与operator delete函数
4. new和delete的实现原理
5. 定位new表达式(placement-new)

1. C/C++内存分布

C/C++的内存分布：栈，堆，静态区，代码段

• 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）
• 3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
• 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。

代码：

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);
}

2. C/C++动态内存管理

2.1 C动态内存管理

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

代码：

void Test ()
{
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
    free(p1);

    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);

    free(p3 );
}

--malloc/calloc/realloc的区别是什么？

1.malloc函数用于分配指定大小的内存块（它只分配内存，不会初始化内存块中的内容）

2.calloc会将内存块的内容初始化为0

3.realloc用于更改先前分配的内存块的大小。(原地修改/重新开一块空间)

2.2 C++动态内存管理：

C++动态内存管理：通过new和delete操作符进行动态内存管理

1.内置类型

代码：

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.自定义类型

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
		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。

3. operator new与operator delete函数

• 1.new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符
• 2.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

代码：

operator new：

//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，如果该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：

//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

4. 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 delete[]中调用operator delete来释放空间

5. 定位new表达式

作用：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：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

代码：

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;
}