C/C++ 内存管理(上)

1.C/C++内存分布

我们先通过一段代码，复习一下不同的变量分别存储在内存当中的什么位置：

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？____

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

答案：
CCCAA
AAADAB
40 5 4 4/8 4 4/8

在C语言的学习中，常提到的内存空间区块有三个：栈、堆、静态区。这仅仅是局限于C语言的角度。如上图所示，不同作用域、生命周期的变量存储在了不同的内存位置。

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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。（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

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2.C语言中动态内存的管理方式

我们知道，在C语言管理动态内存有四个函数，分别为：malloc、calloc、realloc、free。

malloc是直接像操作系统申请一块void类型的空间，其大小是自定义的。

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);

calloc与malloc同理，但是多了一步初始化的工作，还可以申请多个同样的空间。

//申请三块空间大小为 sizeof(char)*10 的空间
char* p2 = (char*)calloc(3, sizeof(char) * 10);

realloc则是对原有的动态内存空间扩容，其扩容分为原地扩容和异地扩容。原地扩容指原有开辟的内存空间之后有足够大小的空间，直接追加新的空间上去。异地扩容指原有开辟的内存空间之后没有足够的大小空间，索性将原有的空间拷贝、释放掉，最后再在堆中找一块合适的地方重新开辟。

char* p2 = (char*)calloc(3, sizeof(char) * 10);
char* p3 = (char*)realloc(p2, sizeof(char*) * 20);

这里我们提一个C语言中未曾提到的问题：

	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	//申请三块空间大小为 sizeof(char)*10 的空间
	char* p2 = (char*)calloc(3, sizeof(char) * 10);
	char* p3 = (char*)realloc(p2, sizeof(char*) * 20);
	free(p1);
	//是否需要释放p2?
	free(p3);

不需要释放p2。因为p3是追加之后的空间大小，这个空间已经覆盖了p2指向的空间。如果我们释放p2的话，就会导致p3重复释放，导致报错。

3.C++的内存管理方式

我们可以在C++使用C语言的malloc等等函数。但是有一些场景他们无法完成任务，所以C++提供新的内存管理方式，即new和delete。

我们需要注意，new和delete并不是函数，而是关键字。

3.1new和delete操作内置类型

	int* p1 = new int;
	//等价于
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));

	delete p1;
	//等价于
	free(p1);

	int* p2 = new int(20);
	//等价于
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));
	*p2 = 20;

	int* p3 = new int[10];
	//等价于
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);

	delete[] p3;
	//等价于
	free(p3);

	int* p4 = new int[10]{ 1,2,3,4 };
	//等价于
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		if (i < 4)
		{
			p4[i]=i;
		}
		else
		{
			p4[i]=0;
		}
	}

可以看到，new、delete和malloc、free是有很强的共鸣，实际上new的底层实现就是malloc，delete的底层实现就是free。

在对内置类型操作的过程中，new、delete和malloc、free没有什么区别。

3.2new和delete操作自定义类型

可以这么说，new和delete就是为类而生。

我们以下面这段代码观察：

class A
{
public:
	A(int x=0)
		:_x(0)
		,_pt((int*)malloc(sizeof(int)*10))
	{
		cout << "我调用了构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		free(_pt);
		_pt = nullptr;
		cout << "我调用了析构函数" << endl;
	}
private:
	int* _pt;
	int _x;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p1);
	return 0;
}

对于这段代码，malloc和free对于这个类是无动于衷的。因为malloc和free并不会调用构造函数和析构函数。这就导致了申请出来的空间并不符合我们的预期要求。我们来看看new和delete会怎么做。

class A
{
public:
	A(int x=0)
		:_x(0)
		,_pt((int*)malloc(sizeof(int)*10))
	{
		cout << "我调用了构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		free(_pt);
		_pt = nullptr;
		cout << "我调用了析构函数" << endl;
	}
private:
	int* _pt;
	int _x;
};

int main()
{
	/*A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p1);*/

	A* p1 = new A;
	delete p1;
	return 0;
}

可以看到，new调用了构造函数，delete调用了析构函数。所以new可以申请到一个“完整”的对象，delete可以释放掉“完整”的对象。

3.3new和delete必须要匹配

上面的例子我们知道了new可以开辟某个类型的一个对象空间，也可以开辟某个类型的多个对象的空间。在C语言的学习中我们也知道，释放空间必须恰好释放掉开辟出来的空间，不能释放多、不能释放少，更不能重复释放。所以new和delete必须要匹配，不然就有可能发生看似没错实际上错了的错误。

在VS2022这款编译器这么写就会发生错误：

	A* p1 = new A[10];
	delete p1;

为什么？这与编译器的特性相关。当我们申请10个类对象的大小空间的时候，编译器会多生成4个字节，用来告诉以后的程序处理这块空间时需要调用析构函数的次数。也就是说，当编译器处理这块空间时，会从多申请的4字节开始处理。

当我们把类中的析构函数注释掉，那么编译和运行不会发生报错：

但是这并不代表这样的写法是正确的。new和delete匹配是C++内存管理的重要规则。

对于内置类型，我们这样的代码：

	int* pt = new int[10];
	delete pt;

这样释放是没有问题的，因为内置类型并没有内置类型的概念，所以编译器也不会多生成4个字节去存储调用析构函数的次数。delete释放空间的时候也是从这块空间的开头去释放。

虽然这段代码没有问题，我们依然不建议这样使用。因为这样使用不但影响别人阅读我们的代码，还影响我们阅读自己的代码。

4.申请空间失败的处理机制

在C语言中，当我们使用malloc、calloc、realloc去申请空间的时候，如果空间太大、或是频繁申请、释放太多，都有可能造成申请空间失败。申请空间失败，函数就会返回一个空指针，我们只需判断返回值是否为空指针就能够知道空间申请是否成功：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 100000000000);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	return 0;

C++中的new是有它独立的处理机制的。因为new它并不是函数，所以实际上它不会有返回值。当它申请空间失败的时候会抛出异常，这点与malloc的区别还是非常大的。

5.operator new和operator delete

大家看到operator这个关键字第一反应就是重载。确实new和delete并不是函数，new和delete确实也算的上是运算符，所以构成运算符重载理所应当。

但是事与愿违，operator new和operator delete并不是运算符重载，他们就是C++中的一个普通的全局函数。至于为什么这么命名估计就跟计算机为什么叫计算机而不叫手机一样。

上面说过new的底层逻辑就是malloc，delete的底层逻辑就是free。我们在使用new时，new会在底层调用operator new，而operator就会调用malloc；当我们使用delete时，delete会在底层调用operator delete，而operator delete就会调用free。

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);
}

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)

6.new和delete调用的函数

上面也讲过，在对自定义类型操作时，new会调用类的构造函数，delete会调用类的析构函数。所以，new和delete会调用两个函数。

但是我们观察delete的转汇编代码：

它确实调用了析构函数，但是没有调用operator delete。是我们理解错了吗？事实上不是，这与代码环境以及编译器的优化有关。