文章目录
- 1. C/C++内存分布
- 2. C语言中动态内存管理
- 3. C++中动态内存管理方式
- new/delete操作内置类型
- new和delete操作自定义类型
- 4.C和C++在内存申请失败时处理方式的区别
- 5. operator new与operator delete函数
- 6. new和delete的实现原理
- 内置类型
- 自定义类型
- 7. 定位new表达式(placement-new)
- 8. malloc/free和new/delete的区别
- 9. 内存泄漏
1. C/C++内存分布
C/C++内存有六个区域 ，我们经常听到的有栈、堆、数据段和代码段。还有两个分别是内核空间和内存映射段。
下面是几个说明：
- 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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
- 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
观察下面一段代码，并回答问题：
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);
}
1. 选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段
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？____
你知道代码中的各个部分分别存储在内存中的哪一个区域吗？
答案：CCCAA AAADAB
顺便提一下： 为什么说栈是向下增长的，而堆是向上增长的？
简单来说，在一般情况下，在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低。
例如，下面代码中，变量a和变量b存储在栈区，指针c和指针d指向堆区的内存空间：
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
//栈区开辟空间，先开辟的空间地址高
int a = 10;
int b = 20;
cout << &a << endl;
cout << &b << endl;
//堆区开辟空间，先开辟的空间地址低
int* c = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
int* d = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
cout << c << endl;
cout << d << endl;
return 0;
}
因为在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，所以打印出来a的地址大于b的地址；在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低，所以c指向的空间地址小于d指向的空间地址。
注意： 在堆区开辟空间，后开辟的空间地址不一定比先开辟的空间地址高。因为在堆区，后开辟的空间也有可能位于前面某一被释放的空间位置。
2. C语言中动态内存管理
malloc、calloc、realloc和free
一、malloc
malloc函数的功能是开辟指定字节大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。传参时只需传入需要开辟的字节个数。
头文件： stdlib.h
介绍： malloc 是C语言提供的一个动态内存开辟的函数，该函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。具体情况如下：
① 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
② 如果开辟失败，则返回一个 NULL 指针。
③ 返回值的类型为 void* ，malloc 函数并不知道开辟空间的类型，由使用者自己决定。
④ 如果 size 为 0（开辟0个字节），malloc 的行为是标准未定义的，结果将取决于编译器。
二、calloc
calloc函数的功能也是开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。calloc函数传参时需要传入开辟的内存用于存放的元素个数和每个元素的大小。calloc函数开辟好内存后会将空间内容中的每一个字节都初始化为0。
头文件： stdlib.h
介绍： calloc 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并把空间的每个字节初始化为 0 ，返回一个指向它的指针。
对比：
① malloc 只有一个参数，而 calloc 有两个参数，分别为元素的个数和元素的大小。
② 与函数 malloc 的区别在于 calloc 会在返回地址前把申请的空间的每个字节初始化为 0 。
验证： calloc 会对内存进行初始化
malloc开辟内存：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// malloc
int* p = (int*)malloc(40); // 开辟40个空间
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
printf("%d ", *(p + i));
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
（运行结果是10个随机值）
calloc开辟内存：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// calloc
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 开辟10个大小为int的空间，40
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
printf("%d ", *(p + i));
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
总结： 说明 calloc 会对内存进行初始化，把空间的每个字节初始化为 0 。如果我们对于申请的内存空间的内容，要求其初始化，我们就可以使用 calloc 函数。
三、realloc
realloc函数可以调整已经开辟好的动态内存的大小，第一个参数是需要调整大小的动态内存的首地址，第二个参数是动态内存调整后的新大小。realloc函数与上面两个函数一样，如果开辟成功便返回开辟好的内存的首地址，开辟失败则返回NULL。
头文件： stdlib.h
介绍： realloc 函数，让动态内存管理更加灵活。用于重新调整之前调用 malloc 或 calloc 所分配的 ptr 所指向的内存块的大小，可以对动态开辟的内存进行大小的调整。具体介绍如下：
① ptr 为指针要调整的内存地址。
② size 为调整之后的新大小。
③ 返回值为调整之后的内存起始位置，请求失败则返回空指针。
④ realloc 函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
realloc函数调整动态内存大小的时候会有三种情况：
1、原地扩：需扩展的空间后方有足够的空间可供扩展，此时，realloc函数直接在原空间后方进行扩展，并返回该内存空间首地址（即原来的首地址）。
2、异地扩：需扩展的空间后方没有足够的空间可供扩展，此时，realloc函数会在堆区中重新找一块满足要求的内存空间，把原空间内的数据拷贝到新空间中，并主动将原空间内存释放（即还给操作系统），返回新内存空间的首地址。
3、扩充失败：需扩展的空间后方没有足够的空间可供扩展，并且堆区中也没有符合需要开辟的内存大小的空间。结果就是开辟内存失败，返回一个NULL。
四、free
free函数的作用就是将malloc、calloc以及realloc函数申请的动态内存空间释放，其释放空间的大小取决于之前申请的内存空间的大小。
3. C++中动态内存管理方式
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
一、动态申请单个某类型的空间
//动态申请单个int类型的空间
int* p1 = new int; //申请
delete p1; //销毁
其作用等价于：
//动态申请单个int类型的空间
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
free(p2); //销毁
二、动态申请多个某类型的空间
//动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[10]; //申请
delete[] p3; //销毁
其作用等价于：
//动态申请10个int类型的空间
int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
free(p4); //销毁
三、动态申请单个某类型的空间并初始化
//动态申请单个int类型的空间并初始化为10
int* p5 = new int(10); //申请 + 赋值
delete p5; //销毁
其作用等价于：
//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); //申请
*p6 = 10; //赋值
free(p6); //销毁
四、动态申请多个某类型的空间并初始化
//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; //申请 + 赋值
delete[] p7; //销毁
其作用等价于：
//动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); //申请
for (int i = 0; i < 10; i++) //赋值
{
p8[i] = i;
}
free(p8); //销毁
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[]，匹配起来使用。
new和delete操作自定义类型
对于以下自定义类型：
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
一、动态申请单个类的空间
用new和delete操作符：
A* p1 = new A;//申请
delete p1;//销毁
用malloc和free函数：
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));//申请
free(p2);//销毁
二、动态申请多个类的空间
用new和delete操作符：
A* p3 = new A[10];//申请
delete[] p3;//销毁
用malloc和free函数：
A* p4 = (A*)malloc(sizeof(A)* 10); //申请
free(p4); //销毁
从上方来看，new和delete对自定义类型的操作可能与malloc和free没什么区别，其实不是：
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
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 T[]和delete[]，一定要匹配起来使用，否则可能会出现各种情况
总结一下：
1、C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
2、如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
3、建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。
4.C和C++在内存申请失败时处理方式的区别
面向对象的语言，处理错误的方式一般是抛异常，C++也是这样要求的 （ try catch）
面向过程的语言，处理错误的方式一般是返回值+错误码
- C语言
int main()
{
size_t sz = 2;
int* p1 = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024 * sz);
if (p1 == nullptr)
{
printf("%d\n", errno);// errno-错误码
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
printf("%p", p1);
free(p1);
return 0;
}
运行结果：
我们可以发现，内存申请失败了，程序返回了错误码：12，原因是系统没有这么大的空间。
- C++
int main()
{
size_t sz = 2;
int* p1 = new int[1024 * 1024 * 1024 * sz];
delete[] p1;
return 0;
}
程序直接崩溃。
下面我们对错误进行抛异常处理：
int main()
{
size_t sz = 2;
char* p1 = nullptr;
try
{
// 进行检测 有错误就进入catch被铺获，try中错误代码后面也不执行
p1 = new char[1024 * 1024 * 1024 * sz];
cout << "检测无误" << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
printf("%p", p1);
delete[] p1;
return 0;
}
5. 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和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。
operator new： operator new()不是new运算符的重载，因为参数没有自定义类型。它是一个库里的全局函数。
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);
}
从底层代码可以看出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。
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 );//调用free()
__FINALLY
_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
__END_TRY_FINALLY
return; }
//free的实现
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
所以针对内置类型或无资源的类对象delete时，使用delete和free效果相同。但对于有资源需要释放的对象时，直接使用free虽然释放了对象的空间，但对象内部的资源还未被清理，导致内存泄漏！这种情况必须使用delete。
总结：
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。
调用机制：
6. new和delete的实现原理
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。
自定义类型
new的原理
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
new T[N]的原理
- 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
- 在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理
- 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
- 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
7. 定位new表达式(placement-new)
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，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。
//定位new
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//new(place_address)type 形式
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A;
A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A));
if (p3 == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
// 定位new -- 对p3指向空间，显示调用构造函数初始化
//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。
new(p3)A(1);//new(place_address)type(initializer-list) 形式
//p3->~A();
//free(p3);
delete p3;
return 0;
}
注意：在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。
8. malloc/free和new/delete的区别
共同点：
都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
不同点：
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申请的空间会初始化。
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。
4、malloc的返回值是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，不会调用构造函数和析构函数，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。
9. 内存泄漏
概念：
内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：
长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
