C/C++内存管理

C/C++内存管理

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前言

内存分布学习及new 与delete 的学习，并比较与mallocc 与free的不同

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一、C/C++内存分布

1.1 内存分布

【说明】在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。

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（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。

int globalVar = 1;   //数据段(静态区)
static int staticGlobalVar = 1; // 数据段(静态区)
void Test()
{
	static int staticVar = 1; //数据段(静态区)
	int localVar = 1;  //开辟函数栈帧存放在栈区
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	const char* pChar3 = "abcd";         //注意：pChar3在哪里？__栈__ *pChar3在哪里？___代码段(常量区)_
	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);
}

1.2 C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{
	int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	// 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 );
}

思考？为什么 ptr 2不用free?

realloc 为扩容空间，分为原地扩容和异地扩容，若原地扩容，free了ptr 3,相当于释放了ptr2!
若异地扩容,realloc会执行释放原来的空间。

二、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。

2.1 new/delete操作内置类型

代码如下（示例）：

void Test()
{
	 // 动态申请一个int类型的空间
	 int* ptr4 = new int;      //new为关键字
	 // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	 int* ptr5 = new int(10); 
	 // 动态申请10个int类型的空间
	 int* ptr6 = new int[3];    //申请3个int 的数组
	 
	 delete ptr4;
	 delete ptr5;
	 delete[] ptr6;  //方括号不能丢
}

**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[]，注意：匹配起来使用。**

2.2 new和delete操作自定义类型

代码如下（示例）：

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;
	
	// 内置类型是几乎一样
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); 
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
return 0;
}

**小结**

1. 针对内置类型，new / delete 和 malloc / free 没有本质区别，只有用法区别， new / delete简化了!
2. new / delete 是为自定义类型准备的，不仅在堆上申请出来，还会初始化（构造函数）和清理（析构函数）
3. malloc开空间失败返回NULL
4. new失败，不需要检查返回值，失败是抛异常

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2.3 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 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。

2.4 new和delete的实现

2.4.1 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，参考2.2小结。

2.4.1 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

new T[N]的原理

3. 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
4. 在申请的空间上执行N次构造函数

delete的原理

5. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
6. 调用operator delete函数释放对象的空间

delete[ ]的原理

7. 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
8. 调用operator delete[ ]释放空间，实际在operator delete[ ]中调用operator delete来释
   放空间

小结： **malloc/free和new/delete的区别：**

相同点	都是从堆上申请空间，并且需要手动释放。

不同点（语法使用和本质功能上进行区分）
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*, 在使用时必须强转类型，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

总结

new与delete比较重要，需了解并掌握C/C++内存分布！