C/C++内存管理

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1、C/C++内存分配

先来看下面这一段代码：

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);
}

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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？____

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2、填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

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3、sizeof 和 strlen 区别？

sizeof计算的是对象或类型所占用的字节数，而strlen计算的是字符串的长度。strlen计算字符串长度是不包括\0的，而sizeof在计算字符串数组大小的时候，是包括\0的。并且sizeof(数组名)计算的是数组的大小。

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2、拓展——进程数据的存储

说明：这里涉及到了linux的知识，之所以写是为了让大家更好的了解运行的程序中的数据是如何存储的。大家能看懂多少就看懂多少，也可以不看。

前置知识：我们写好的代码，编译之后会形成可执行程序——也就是.exe文件（实际上需要经过预处理、编译、汇编、链接）。
当我们运行.exe文件时，实际上是在操作系统中创建了一个进程，这个进程存储了可执行程序的相关代码和数据。而操作系统会为该进程分配虚拟地址空间，这个虚拟地址空间就是用来存储代码和数据的。如下图：

虚拟地址空间分为：内核空间（1G）和用户空间（3G），而虚拟地址空间又通过页表映射到物理内存中。
那么像我们在栈上定义一个变量：int a = 10；实际上是在虚拟地址空间的栈上开一块空间，然后在物理内存中开一块空间存储10，紧接着通过页表实现虚拟地址空间到物理内存的映射。当我们取a的数据时，先在虚拟地址空间的栈上找到a，然后通过页表映射到物理内存，找到物理内存的地址，然后取出里面的值。其他数据也是一样的。这样的方式就实现了进程管理和内存管理的解耦合。

好了，这块不敢再往下讲了，就此打住。之后我也可能会写linux的博客

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3、C语言中动态内存管理方式

在C语言阶段，我们动态开辟内存使用的是malloc、calloc、realloc。释放内存使用的是free。
接下来探讨一下这三个动态开辟内存的函数有什么区别：

malloc用来在堆上开辟空间，需要传参说明开辟空间的大小，需要对返回值进行强转。

	int* p = (int*)malloc(sizeof(int)*10);

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calloc跟malloc的区别就是calloc是开空间+初始化。参数num指明个数，size指明大小。
例如开一个有10个整形元素的数组，并将其数组元素全部初始化为0。

	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 自动将数组元素全部初始化为0

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realloc是用来扩容的，当我们malloc开辟一段空间后发现空间不够，可以使用realloc来扩容。参数ptr就是原来开辟那块空间的地址，size是扩容后空间的总大小。

	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	int* p2 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 20); // 对p1进行扩容。
	// 这里需要free(p1)吗？

所以并不需要释放p1，因为在扩容的时候如果原地扩容p1还是指向申请的空间，如果重新开辟空间进行扩容，会释放掉原来p1那段空间。但是最好在调用realloc之后把p1置空。

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4、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。

4.1、new/delete操作内置类型

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	// C语言动态申请int和10个int的数组
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);

	// C++动态申请int和10个int的数组
	int* p3 = new int;
	int* p4 = new int[10];

	// 并且C++在申请空间时还可以初始化
	int* p5 = new int(5); // 将申请的int赋值为5
	int* p6 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5}; // 将申请的前5个数据赋值1-5

	// C语言释放内存
	free(p1);
	free(p2);

	// C++释放内存
	delete p3;
	delete[] p4;
	delete p5;
	delete[] p6;

	return 0;
}

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[]。
所以C语言和C++在申请内置类型空间时只有用法上的区别。
注意：一定要匹配起来使用。

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4.2、new/delete操作自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;

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

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	// 使用C语言方式开辟空间
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);

	// 使用C++开辟空间
	// new 在堆上申请对象空间+调用构造函数初始化对象
	A* p3 = new A;
	A* p4 = new A[10];

	free(p1);
	free(p2);
	
	// delete 先调用指针类型的析构函数+释放空间给堆上
	delete p3;
	delete[] p4;
	return 0;
}

在使用new申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数。在使用delete释放空间时，会调用析构函数。
所以new/delete与malloc/free的最大区别就是new/delete会调用构造和析构函数。对于内置类型只有用法上的区别。

在使用malloc申请空间时，如果失败了会返回空指针。而在使用new申请空间失败时会抛出异常。
总结： C++提出new和delete，主要是解决两个问题
1、自定义类型对象动态申请的时候，初始化和清理的问题。new/delete会调用构造函数和析构函数。
2、new失败了以后要求抛异常，这样才符合面向对象语言的出错处理机制。

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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。

/*
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));
	_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。

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6、new和delete的实现原理

6.1、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。

6.2、自定义类型

new的原理：
1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理：
1. 在空间上执行析构函数，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. 在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理：
1. 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
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

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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。

为什么会有定位new呢？这里举一个栗子：假设我们需要频繁的申请和释放空间，例如我们需要不断创建链表的结点，如果我们直接向堆申请空间的话，这样消耗是很大的。所以我们可以提供这样一种方法：我们直接向堆申请一大块空间，然后当我们需要创建新节点时，直接去这段空间取就好，然后再使用定位new对对象进行初始化。这样就不会因为频繁的创建新节点导致我们需要不断向堆申请空间。实际上这是一种池化技术，这一大块空间就叫做内存池，后面我们要讲的STL容器使用的就是这种方式。
如下图，STL中list容器，就是通过定位new来初始化的。

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。

下面来看定位new的使用：

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	// 写法1
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A(1);  // 把1传给构造函数初始化。

	p1->~A();
	free(p1);

	// 写法2
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A;    // 也可以不传参，但是必须要有默认构造函数

	p2->~A();
	operator delete(p2);

	// 写法3
	A* p3 = new A(3);
	delete p3;
	return 0;
}

以上这三种写法都是等价的。

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8、malloc/free和new/delete的区别

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