C++【内存管理】（超详细讲解C++内存管理以及new与delete的使用和原理）

1.C/C++内存分布

在C与C++中，内存被划分成多个区域，其中包括堆、栈、数据段（静态区）、代码段等，这些不同的区域存储不同的数据，下面有一个案例，能帮助我们更好的认识这些区域分别存储哪些值。

int globalVar = 1; //全局变量
static int staticGlobalVar = 1; //全局静态变量

void Test()
{
	static int staticVar = 1; //静态变量

	int localVar = 1;  //局部变量
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 }; //局部数组

	char char2[] = "abcd";  //局部数组
	const char* pChar3 = "abcd";  //指针指向常量

	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); //动态开辟内存
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));  //动态开辟并初始化
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4); //重新分配内存

	free(ptr1);  //释放动态开辟的内存
	free(ptr3);
}

我们由上往下依次讲解变量在内存的分布

变量名	存储类型	存储位置
globalVar	全局变量	数据段（静态区）
staticGlobalVar	静态全局变量	数据段（静态区）
staticVar	局部静态变量	数据段（静态区）
localVar	局部变量	栈
num1	局部数组	栈
char2	局部数组	栈
*char2	数组内第一个元素	栈
pChar3	指向常量字符串的指针变量	栈
*pChar3	常量字符串	代码段
ptr1	指向动态内存的指针变量	栈
*ptr1	动态开辟的空间	堆
ptr2	指向动态内存的指针变量	栈
*ptr2	动态开辟的空间	堆
ptr3	指向动态内存的指针变量	栈
*ptr3	动态开辟的空间	堆

这里需要注意的是*char2和*pChar3的区别

• *char2是将字符串拷贝到数组里（其实数组里面存储的是这些字符的ASCII码值），*char2就是取数组的第一个元素，既然数组都是在栈上，所以身为数组成员的元素也是在栈上的。
• *Char3则是解引用这个直接指向常量字符串的指针，解引用完后是直接得到这个常量的，所以是在代码段。
  
  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。

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语言中动态内存管理方式

C语言是通过malloc / calloc / realloc / free这四个函数来管理的，其中前三个函数是负责开辟内存和扩容，free是释放开辟的内存（动态开辟内存后一定要释放，不然会内存泄漏！！）

void Test()
{
	// 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);
}

这里有三个问题

1. malloc/calloc/realloc的区别是什么？
2. 这里需要free(p2)吗？
3. malloc的实现原理？

第一个问题：
malloc只会进行开空间。

calloc不仅会开空间，还会将空间初始化为零。

realloc是扩容，但是realloc延迟是有两种情况的（原地扩容和异地扩容），如果realloc第一个参数为空，那realloc也能发挥malloc的作用，详细内容可以看这篇博客C语言【动态内存】

第二个问题：
p3是realloc p2后的指针，那我们要看realloc扩容的方式；
如果是原地扩容，那么p3是跟p2一样，是指向同一块空间，这时候任意free一个就行（不可两个都free）。
如果是异地扩容，那么就会先开辟空间，然后将p2的数据拷贝到新开的空间，然后自动free掉p2。

由于我们不确定是原地还是异地扩容，且这两种都可以free掉p3，所以我们不管是原地扩容还是异地扩容，free掉p3都是最保险最安全的做法。

第三个问题：
可以通过该链接进行学习glibc中malloc实现原理。

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类型的空间并初始化前一半的的元素
	int* ptr5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};

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

int main()
{
	Test();
}

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放多个元素的空间，要使用new[]和delete[]操作符，需要配套来使用。

3. 2new/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;

	// 操作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;

	return 0;
}

注意：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

我们在C语言使用malloc等函数的时候需要通过if来判断申请是否成功，我们这里并没有判断，那就代表new就不会失败吗？
其实不是的，我们在C++动态开辟内存的时候是通过捕捉异常状态来判断是否开辟成功（我们平时练习开辟的那点空间是不足以开辟失败的）

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
捕获异常的写法（我们现在只需要知道用法，具体我们会在后面详细讲解）
	try
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];//1G
		cout << "p1 -> " << p1 << endl;
		void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout <<"p2 -> " << p2 << endl;

	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

我们先来探索下在32位下，堆平台的内存有多大（每次申请1MB）

#include<iostream>
using namespace std;

void func()
{
	int n = 1;
	while (1)
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024];// 1Mb
		cout << p1 << " -> " << n << endl;
		n++;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;

可以看到，在32位环境下，堆有1897Mb的内存（约1.85G），占了接近一半的内存（32位下内存为4G --> $2^{32}$）

接下来我们看下64位环境下能申请多少内存

大约43G，64位的虚拟内存大约有160亿G（$2^{64}$个字节）是非常大的。

4. 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。

下面是关于operator new和 operator delete的源码

/*
 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 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));

	!!!这个是/* operator datele */的核心!!!
	_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)

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. 在申请的空间上调用构造函数，完成对象的初始化

我们可以通过反汇编来看是否如此

#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;
};

int main()
{

	A* p1 = new A(1);

	delete p1;
	return 0;
}

• delete的原理

1. 在空间上执行析构函数，完成对象资源清理的工作
2. 调用operator delete函数释放空间

• new[]的原理

1. 调用operator new[]函数，operator new[]实际是在内部调用operator new函数来申请空间
2. 在申请的空间上执行N次构造函数，来初始化N个对象

• delete[]的原理

1. 执行N次析构函数，完成对N个对象的资源清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际也是在里面调用operator detele来释放空间

5.2.1 自定义类型调用new[]和delete[]时的崩溃问题

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
private:
	int _a;
};

class B
{
public:
	~B()
	{}
private:
	int _b;
};

int main()
{
	//运行不会崩溃
	A* p1 = new A[3];
	delete p1;

	//运行会崩溃
	B* p2 = new B[3];
	delete p2;
	return 0;
}

接下来我们把A部分屏蔽掉，单独运行B部分，看看会发生什么？

我们可以看到，明明是一样的操作，A部分没有崩溃，B部分竟然崩溃了。这是为什么呢？

我们现在来分析下原因：
原因一： 我们之前讲过一个很重要的点（申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放多个元素的空间，要使用new[]和delete[] 操作符，需要配套来使用），难道是因为我们没有配套使用吗？
很显然不是，因为我们A部分也没有配套来使用啊，所以这个原因不对。

原因二：是因为只调用了第一个对象的析构函数，但没有调用其他对象的析构所导致的内存泄漏吗，这并不是崩溃的原因。
因为内存泄漏这个问题编译器是不会检查的，况且我们使用的自定义类型内部都是内置类型，也就没有申请空间，也就不存在内存泄漏的问题

原因三（真正原因）：是AB部分创建对象时，所开辟的字节不同。（注意：AB类的大小都是一样的，他们都只有一个成员变量且都是int类型）

我们先看A部分开辟的字节大小

我们可以看到p1所指向的空间的的确确开辟了12个字节（每个类占4字节）

我们再来看部分开辟的字节大小

我们可以看到，明明都是只申请了三个对象，而p2所指向的空间竟然多出了4个字节！ 这是为什么呢？

这里直接告诉大家，这多开的四个字节是用来存储你new出对象的个数，B* p2 = new B[3];这多开的四个字节就是用来存储[]的3。

而这个多开的字节是给delete[]用的，因为我们在使用delete[]的时候，并没有表明有多少个，要调用多少次析构，所以会往前偏移四个字节来读取对象的个数。

所以我们如果是new[]+delete来使用的话，会在对象占用空间那里开始释放。

但是我们知道，一块连续的内存空间是不可以从中间开始释放的，一定要从起点开始释放，不然编译器会崩溃掉。

好了，我们就找到了崩溃的真正原因：我们并没有在起点释放内容。

但现在又有一个问题，为什么A部分也是new[]，但没有多开这四个字节呢，这是因为编译器的优化。

因为我在写A类的时候并没有显示的写析构函数，编译器检查了一下A类发现A类不写析构函数也可以，因为A也没有申请资源，所以就直接一优倒底，就不调用析构函数了，也就不多开空间来记录个数了。

但是如果我们写了析构函数，编译器就不会优化，就是多开。

6.定位new表达式（了解性内容）

定位new表达式就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.

#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. 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释放

最后两点是核心区别。

结语

这次的分享就到这里结束了~
最后感谢您能阅读完此片文章~
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