【C++】C/C++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看看下面这段代码：

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：数据段（静态区） staticGlobalVar在哪里：数据段（静态区）

staticVar在哪里：数据段（静态区） localVar在哪里：栈

num1在哪里：栈

全局变量和静态变量都是存在数据段（静态区）

char2在哪里： 栈 *char2在哪里：栈

pChar3在哪里： 栈 *pChar3在哪里：代码段（常量区）

ptr1在哪里：栈 *ptr1在哪里：堆

sizeof(num1) = 40

sizeof(char2) = 5 strlen(char2)= 4

sizeof(pChar3) = 4/8 strlen(pChar3)= 4

sizeof(ptr1) = 4

sizeof 和strlen的区别：

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
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的
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语言当中的动态内存管理

文章

3. C++ 内存管理方式

C语言的内存管理方式在C++当中可以继续使用，但是有些地方用起来比较麻烦，因此C++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* ptr4 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;
}

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

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()
{// 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)); // Cint* 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：在申请自定义类型的空间的时候，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会

4. operator new 和operator delete 函数

new和delete使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在底层调用operator delete 全局函数来释放空间

/*
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 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)

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，如果申请成功就直接返回。否则执行用户提供的空间不足的应对措施，如果用户提供该措施就继续执行，否则抛出异常。operator delete实际上是通过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基本相似，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[]申请和释放的是连续空间。而且new在申请失败的时候会抛出异常，而malloc返回NULL

5.2 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 T[N]
  • 在释放的对象上执行N次析构函数，完成N个对象当中资源的清理
  • 调用operator delete[]释放空间，实际在调用operator delete[]中调用operator delete来释放资源

6. 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表达式在实际当中一般是配合内存池来使用的。因为内存池分配的内存并没有初始化，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用构造函数进行初始化

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，因为构造函数没有执行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();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

7. 常见面试题

7.1 malloc/free 和 new/delete区别

它们的共同点：都是从堆上申请空间，并且需要手动释放。不同的地方：

1. malloc/free是函数，而new/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申请空间的时候需要手动计算空间大小并传递，new只需要在后面加上空间的类型就可以了，如果是多个对象只需要[]当中指定个数就可以了
4. malloc返回值为void*必须强转，new不需要，因为后面跟的就是空间的类型
5. malloc申请空间失败的时候返回NULL，，因此必须判空，new不需要，new需要捕获异常
6. 申请自定义类型的对象的时候，malloc只会开辟空间，不会调用构造函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对对象的初始化，delete在释放空间之前会调用析构函数完成空间当中资源的清理