C/C++内存分布

常见区域介绍

经典习题（读代码回答问题）

选择题

填空题

C语言内存管理方式

malloc/free

calloc

realloc

C++内存管理方式

new和delete操作内置类型

new和delete操作自定义类型

operator new和operator delete函数

new和delete的实现原理

定位new（placement new）

malloc/free和new/delete的区别

内存泄露

C/C++内存分布

函数调用建立栈帧，去堆上申请一块空间，这个变量存在静态区等等，上述的描述在我们学习语言的过程中应该经常会听到。今天我们站在语言层面上去探索一下C/C++中程序内存的分布（注意：我们所谈论的是在语言层面上关注的几个区域）。

常见区域介绍

1.栈：存非静态局部变量，函数参数，返回值等。栈是向下增长的（高地址到低地址）。

如下图所示的局部变量，返回值等，它们都是一些临时数据，一般存在栈区。可以把它们想象成一次性的物品，只是短暂的使用它完成某项任务。

普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。

2.堆：程序运行时动态内存分配。堆是向上增长的（低地址到高地址）。

比如实现一个动态增长的顺序表，当顺序表满了以后，要进行扩容。每次扩容就要动态的去堆区申请一些空间。常见的操作如malloc、calloc、realloc、C++中更习惯用new来进行空间的动态申请。

3.静态区：存储全局变量和静态数据。如全局变量，static修饰的局部变量等。

被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁所以生命周期变长。

4.常量区：可执行的代码、只读常量等。

经典习题（读代码回答问题）

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);
}

选择题

选项：A.栈 B.堆 C.静态区(数据段) D.常量区（代码）

第一组：

globalVar在哪里？C(全局变量) staticVar在哪里？C(静态局部变量)

num1 在哪里？A(静态数组) staticGlobalVar在哪里?C（静态全局变量）

localVar在哪里？A(局部变量)

第二组：

char2在哪里？A（数组名） pChar3在哪里？A（指针变量） ptr1在哪里？A(指针变量)

*char2在哪里？A(栈区) *pChar3在哪里？D *ptr1在哪里？B

填空题

sizeof(num1) = _40_; sizeof(ptr1) = _4/8(指针大小)_;
sizeof(char2) = _5(含‘\0’)_; sizeof(pChar3) = _4/8（指针大小）_;

strlen(char2) = _4(只求\0前的字符长度)_; strlen(pChar3) = _4（pChar3指向的字符串长度）;

C语言内存管理方式

malloc/free

malloc:向内存申请一块连续可用size个sizeof(数据类型)大小的空间。

free:释放指针指向的空间。

class Date
{
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date* dt = (Date*)malloc(sizeof(Date)*10);
	if (dt == nullptr)
	{
		perror("malloc 失败");
		exit(-1);
	}

	free(dt);
	dt = nullptr;
	return 0;
}

如上图所示，调用malloc函数在堆区动态开辟了3个Date类型成员大小的空间。

calloc

calloc:这个函数也是用来动态开辟内存的，和malloc不同的是，使用calloc函数会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0。

class Date
{
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date* dt = (Date*)calloc(3,sizeof(Date));
	if (dt == nullptr)
	{
		perror("calloc 失败");
		exit(-1);
	}

	free(dt);
	dt = nullptr;
	return 0;
}

calloc在申请空间的同时，还对数据进行了初始化。

realloc

realloc:调整ptr指向的空间大小。

class Date
{
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date* dt = (Date*)malloc(sizeof(Date)*1);

	Date* ptr = (Date*)realloc(dt,sizeof(Date)*5);

	free(ptr);
	dt = ptr = nullptr;
	return 0;
}

原地扩容：如果原空间后的空间足够扩容，则直接在“原地”进行扩容。

异地扩容:在扩容期间可能存在，原空间后的可用空间不够扩容。这时realloc就会采用异地扩容的方式，先找一块连续的空间（扩容后大小），在将原空间中的内容拷贝过来，释放原空间。

了解了realloc的扩容机制，就可以理解在上述代码中，最后只free了ptr。因为如果是原地扩容，dt和ptr指向的是同一块空间，如果是异地扩容，在扩容期间原空间就已经被释放了。

C++内存管理方式

C++中引入了新的内存管理方式，通过new和delete操作符进行动态内存管理。

int main()
{
	//动态申请一个int类型大小的空间
	int* ptr1 = new int;
	//动态申请一个int类型大小的空间，初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
	//动态申请5个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[5];
	//动态申请10个int类型的空间
	int* ptr4 = new int[3]{ 0,1,2 };

	delete ptr1;
	delete ptr2;

	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;

	return 0;
}

需要注意的是，new和delete、new[]/delete不要混合使用，否则可能会出现一些错误。

new和delete操作内置类型

对于内置类型而言，new和malloc只是在语法使用上有些区别。

int main()
{
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int)*5);

	int* ptr2 = new int[5];

	return 0;
}

new和delete操作自定义类型

对于自定义类型而言，除了开空间外，new会调用自定义类型对象的构造函数。delete会调用自定义类型对象的析构函数。malloc与free不会这样做。

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};

int main()
{
	A* a = new A();
	delete a;

	return 0;
}

operator new和operator delete函数

operator new和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new申请空间，delete在底层通过operator delete释放空间。

●operator new函数实际上是通过malloc来申请空间的。

●operator delete函数实际上是通过free来释放空间的。

new和delete的实现原理

1.对于内置类型来说，new和malloc。delete和free基本类似。

2.new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请和释放的是连续的空间。new失败时会抛异常，malloc失败会返回nullptr。

3.对于自定义类型来说，new要做两件事情：

●调用operator new申请空间。

●在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。（调用自定义类型的构造函数）

4.delete的原理

●调用析构函数，对对象中的资源进行清理。

●调用operator delete函数释放对象的空间。

5.new T[N]的原理

●调用N次operator new完成N个对象空间的申请。

●在每次申请的空间上执行构造函数

6.delete[]

●执行N次析构函数，对N个对象完成资源的清理。

●调用N次operator delete释放空间。

定位new（placement new）

定位new的作用是对已经分配内存的对象调用构造函数初始化一个对象。

语法：new(指针)对象类型（构造传参）

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	Date* dt = (Date*)malloc(sizeof(Date)*3);

	new(dt)Date(2001, 10, 3);
	new(dt+1)Date(2002,9,9);

	return 0;
}