【C++内存管理】-编程知识

【本节目标】

1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理方式

3. C++中动态内存管理

4. operator new与operator delete函数

5. new和delete的实现原理

6. 定位new表达式(placement-new)

7. 常见面试题

1. C/C++内存分布

我们先来看一下内存分布图。

【说明】：内存划分的意义：不同的数据，有不同的存储需求，各个区域满足不同的需求。

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。
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的，应用较多的场景：数据结构
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（经过链接形成的二进制文件）/只读常量，该区域不可被修改。我们平时在vs上写的代码是存在磁盘上的。
强制修改也不行

我们先来看下面的一段代码和相关问题。

#include <iostream>
using namespace std;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);
}

解析：

答案：

静态变量和全局变量有什么区别？

作用域：
- 静态变量的作用域限定在声明它的函数内部，即它只在包含它的函数中可见。
- 全局变量的作用域是整个文件，可以在文件中的任何地方访问。
生命周期：
- 静态变量在程序运行期间一直存在，不会因为函数的调用结束而被销毁。它在第一次进入声明它的函数时初始化，然后在程序生命周期内保持其值。
- 全局变量也在程序运行期间一直存在，它在程序启动时初始化，直到程序结束。

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

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

malloc（Memory Allocation）:

函数原型：void* malloc(size_t size);
用途：用于分配指定大小的内存块，返回一个指向该内存块起始地址的指针。
行为：分配的内存块中的初始内容是未定义的，可能包含任意值。需要注意，malloc 不会初始化分配的内存。

calloc（Contiguous Allocation）:

函数原型：void* calloc(size_t num_elements, size_t element_size);
用途：用于分配一块指定数量和大小的连续内存块，返回一个指向该内存块起始地址的指针。
行为：分配的内存块中的每个字节都会被初始化为零。相比于 malloc，calloc 提供了初始化内存的功能，适用于需要确保分配内存中的所有位都为零的情况。

realloc（Reallocate）:

函数原型：void* realloc(void* ptr, size_t size);
用途：用于更改之前分配的内存块的大小，可以扩大或缩小。
行为：realloc 可以通过改变原有内存块的大小来满足新的需求。如果扩大内存块，新分配的内存区域的内容是未定义的，而原来的部分会保持不变。如果缩小内存块，多余的部分将会被释放。如果 ptr 是 NULL，realloc 的行为就相当于 malloc(size)。

malloc的实现原理？链接

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

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10int* ptr2 = new int(10);// 动态申请3个int类型的空间int* ptr3 = new int[3];// 动态申请3个int类型的空间并初始化为1,2,3int* ptr4 = new int[3] {1, 2, 3};// 动态申请5个int类型的空间并初始化为1,2,3int* ptr5 = new int[5] {1, 2, 3};delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;delete[] ptr4;delete[] ptr5;
}

运行结果：

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

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{// malloc不方便解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题// 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// new的本质：开空间+调用构造函数初始化// delete的本质：调用析构函数+释放空间A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//p1->~A(1);//error C2521: 析构函数 不带任何参数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)); // Cint* p4 = new int;free(p3);delete p4;// 多个对象A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);free(p5);	A aa1(1);A aa2(2);A aa3(3);A* p6 = new A[10]{ aa1, aa2, aa3 };//有名对象A* p7 = new A[10]{ A(1),A(2),A(3) };//匿名对象A* p8 = new A[10]{ 1 , 2, 3 };//隐式类型转换delete[] p6;delete[] p7;delete[] p8;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。同时我们这里还要注意，malloc开辟失败会返回空指针，而new开辟失败会抛异常。

由于我们上面的类型是字符类型，如果我们输出打印p的话不会直接输出地址，而是按照字符串的形式去打印，遇到'\0'停止，所以当我打印p会一直输出屯屯屯......

这里的抛异常我们后续会讲到。我们再来了解一下栈的动态开辟。

如果上面我们free(p)而不是使用delete p，那么此时就是释放了p对象申请的空间，此时_a的空间还未释放，就会错误。

4. 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，封装了malloc和free，并且加上了处理失败抛异常问题。

/*
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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

我们可以使用上面的全局函数，但是此时没有调用构造函数和析构函数。

Stack* p2 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
operator delete(p2);

我们再来看一下上面的new和delete的反汇编。

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

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，这里一共申请了N*4+N个字节，这里还需要存储N。
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

我们再来看一段程序的结果：

#include <iostream>
using namespace std;class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;_a = new int[capacity];_top = 0;_capacity = capacity;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;delete[] _a;_a = nullptr;_top = 0;_capacity = 0;}
private:int* _a;int _top; int _capacity;
};class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A(int a = 0)" << endl;}~A(){cout << "~A():" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{Stack* p1 = new Stack[10];delete p1;//errorA* p2 = new A[10];delete p2;//errorA* p3 = new A[10];delete p3;//注释析构函数//内置类型不匹配这里不会报错//内置类型没有析构函数//delete底层也是调用的freeint* p4 = new int[10];free(p4);return 0;
}

上面的p1和p2程序都会报错，因为此时释放的空间位置不对，因为此时没有释放存储N这一个字节的空间，所以会报错，而对于p3，由于此时没有析构函数，并且A类中成员变量还是内置类型，此时编译器就会优化，此时就申请空间的时候就没有开辟N这一个字节的空间，此时释放就不会影响，但是这个要取决于编译器而言。但是对于上面我们还是不要这样写，结果尽量要匹配，否则结果都是未定义的。

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

构造函数是自动调用的，不可以显示调用。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A(int a = 0)" << endl;}~A(){cout << "~A():" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A aa1;//构造函数自动调用A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));//p1->A(1);//构造函数不可以显示调用p1->~A();//析构函数可以显示调用return 0;
}

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。

7. 常见面试题

7.1 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