C++初阶——动态内存管理

1、C/C++内存区域划分

2、C动态内存管理：malloc/calloc/realloc/free

3、C++动态内存管理：new/delete

3.1 new/delete内置类型

3.2 new/delete自定义类型

4、operator new与operator delete函数

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

6、定位new表达式(placement-new) （了解）

7、malloc/free和new/delete的区别

1、C/C++内存区域划分

【说明】

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，堆是可以向上增长的。

4. 数据段(静态区)--存储全局数据和静态数据。

5. 代码段(常量区)--可执行的代码/只读常量。

下面做一道题：

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);
}

1. 选择题：
选项 : A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
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？____
答案：

CCCAA AAADAB

char2非静态局部变量在栈区

char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上

pChar3非静态局部变量在栈区 *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

2、C动态内存管理：malloc/calloc/realloc/free

malloc，calloc，realloc，是向堆区申请空间的，

void* malloc (size_t size);

malloc：申请成功，返回为类型为void*的指针，不会初始化，申请失败，返回NULL

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc：申请成功，返回为类型为void*的指针，空间的每个字节初始化为0，申请失败，返回NULL

calloc = malloc + 初始化为0 (memset(void * ptr, 0, size_t num ))

void* realloc (void* ptr, size_t size);

注意：size = 原来的空间大小 + 一段未使用的空间大小

realloc：对动态开辟内存大小进行调整，一般用于扩容

扩容存在两种情况：

◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间

◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1:

原有空间之后有足够大的空间，

要扩展内存就在原有空间之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2:

原有空间之后没有足够大的空间

在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，并把原来的数据拷贝过去，然后free原来的空间返回一个新的内存地址。

realloc(NULL,size) = malloc(size)

void free (void* ptr);

free，是释放向堆区申请的空间

注意：向堆区申请的空间只能释放一次，一般释放完置为NULL，NULL多次释放没有关系

3、C++动态内存管理：new/delete

C动态内存管理方式在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++通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete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10
	int* ptr2 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];
	// 动态申请10个int类型的空间并初始化为0
	int* ptr4 = new int[10] {0};
	// 动态申请10个int类型的空间
	// 前5个初始化为1,2,3,4,5，后5个初始化为0
	int* ptr5 = new int[10]{1,2,3,4,5};

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
	delete[] ptr5;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

3.2 new/delete自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a = 1;
};
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：

1、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

2、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[]，匹配使用，不然坑的死死的，

如：了解一下，A为8字节大小

前面开4个字节大小的空间，是为了存放需要调用析构函数的次数，

（对于没有必要调用的析构函数，编译器可能会进行优化，不开这个空间）A的析构函数必须被调用，因为有打印字符串，

delete p3，是释放80字节大小的空间，因为不能从中间位置释放空间，所以报错（内存泄漏不报错）

4、operator new与operator delete函数

operator new 和 operator delete是系统提供的全局函数，

注意：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。

/*
 operator new：该函数通过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: 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)

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

new和malloc，delete和free基本类似，

不同： new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]/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. 在申请的空间上调用构造函数，完成对象的初始化

delete的原理

1. 在释放的对象空间上调用析构函数，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. 在申请的空间上调用N次构造函数，完成对N个对象的初始化

delete[N]的原理

1. 在释放的对象空间上调用N次析构函数，完成N个对象中资源的清理工作

2. 调用operator delete[]释放空间，在operator delete[]中实际调用operator delete来释放空间

6、定位new表达式(placement-new) （了解）

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的定位表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;

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，因为没有调用构造函数
	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();  // 析构可以直接显示调用，显示调用构造函数要通过定位new表达式
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);

	return 0;
}