C++内存管理

1.C/C++内存分布

我们先来看这样的一道题：

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);
}

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？___ 

选项:    A.栈   B.堆   C.数据段(静态区)   D.代码段(常量区)

具体在内存中的划分如下：

注意：

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篇会详细讲解）
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

2.C语言动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc/free 

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，但由于C语言是面对过程，C++是面对对象，C++要是只采用C语言那一套，肯定会有无能为力或者使用起来比较麻烦的地方，因此C++也提出了自己的内存管理方式：new和delete操作符进行动态内存管理

3.1new/delete操作符内置类型

void test()
{
	// 动态申请一个类型为int的空间
	int* ptr1 = new int;
	// 动态申请一个类型为int的空间，并初始化为1
	int* ptr2 = new int(1);
	// 动态申请三个类型为int的空间
	int* ptr3 = new int[3];
	// 动态申请三个类型为int的空间，并初始化为1,3,5
	int* ptr4 = new int[3] {1, 3, 5};

	// 将申请的空间释放
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
}

 注：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 [],切记要匹配使用。

3.2new和操作自定义类型

#include
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int x = 2, int y = 4)
		:_a1(x)
		,_a2(y)
	{
		cout << "A(int x,int y)" << endl;
	}
	A(const A& a)
	{
		_a1 = a._a1;
		_a2 = a._a2;
	}
	void print()
	{
		cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};
int main()
{
	// 对于自定义类型来说，最大的区别就是new会自动调用构造函数，delete会自动调用析构函数
   //  malloc不会调用构造，只会申请空间，free也不会调用析构
	A* a1 = new A;
	A* a2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* a3 = new A(1,3);
	A* a4 = new A[4]{ {1,3},{5,7},{9,11},{13,15} };
	delete a1;
	free(a2);
	delete a3;
	delete[] a4;
	return 0;
}

4.operator new和operator delete 函数

4.1operator new和operator delete 函数

new和delete是用户进行动态申请和释放资源的操作符，operator new和operator delete 是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new来申请空间，delete在底层通过operator delete来释放空间

/*
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)

通过上述的全局函数可知，operator new实际上也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请成功就直接返回，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。同理，operator delete也是通过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和delete申请和释放的是单个元素的空间，new[] 和 delete[]申请的是连续的空间，而且在new申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL

5.2内置类型

1、new
  （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

2、delete
  （1）在空间上执行析构函数，完成对象中的资源清理工作
  （2）调用operator delete函数释放对象中的空间

3、new[]
  （1）调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成对N个对象的申请
  （2）在申请的空间上执行N次构造函数

4、delete[]
  （1）调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete释放空间
  （2）在释放的对象空间上执行N次构造函数，完成对N个对象中资源的清理

6.定位new表达式（placement-new）

定位new表达式是在已分配的原始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

#include
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int n = 1)
		:_a(n)
	{
		cout << "A(int n)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << 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* a = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(a)A;// 也可以在A后面传参
	// 析构函数可以这样写,但是不能这样写构造函数a->A()
	a->~A();
	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：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. 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
4. 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
5. 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
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