【C++】内存管理知识
作者：阿润菜菜
专栏：C++
本文目录
C/C++内存区域分布
对比C语言内存管理的方式
C++内存管理的方式
operator new与operator delete函数（new和delete实现的底层调用）
new和delete的实现原理
定位new表达式
malloc/free和new/delete的区别
C/C++内存区域分布
我们熟知C&C++中内存区域有：栈 、堆、数据段（静态区）、代码段（常量区)
对于内存分布的说明：
对比C语言内存管理的方式
我们在C语言中是如何进行内存管理的? 一般通过以下四个命令：malloc/calloc/realloc/free
malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理
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 );
}realloc 异地扩容 不需要free原指针 否则二次释放
问题1：malloc/calloc/realloc的区别？
相同点：
1.都是从堆上申请空间；
2.都需要对返回值判空；
3.都需要用户free释放；
4.返回值类型相同（都是void*）；
5.都需要类型转化；
6.底层实现是一样的，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间。不同点：
2.calloc函数，原型void *calloc(size_t n, size_t size)；会对申请空间初始化，并且初始化为0（数据量大时效率较malloc要低）；
3.malloc函数，原型void *malloc(unsigned int num_bytes)；申请空间须使用memset进行初始化；
4.realloc函数，原型void realloc(void *ptr, size_t new_Size)；是对已经存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL的时候和malloc函数一样，其扩容后地址和原先地址可能是不一样的，这取决于扩容的内存大小。
问题2：malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理
但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。
C++内存管理的方式
在C++中我们使用new和delete操作符进行动态内存管理操作。
new 初始化内置类型
// 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10
int* 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[]
new 和delete 一定要匹配使用，不要和C语言的内存管理方式进行交叉使用，否则会出现程序崩溃的问题（内存泄露）。
在new和malloc系列里 有底层实现机制关联交叉，可能恰巧没问题，可能有问题，所以建议不能匹配使用。
new初始化自定义类型
#include
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()
{
// new/delete对于【自定义类型】除了开空间，还会调用构造和析构函数
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)); // C
int* 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;
} 结果：
operator new与operator delete函数（new和delete实现的底层调用）
/*
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);
}/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
/*
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;
}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。
new和delete的实现原理
1.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。
2.如果申请的是自定义类型空间，new会调用全局函数operator new申请空间，并在申请空间上调用构造函数，完成对象的构造；delete会在空间上执行析构函数，完成对象的清理工作，并调用operator delete函数释放对象空间。
3.当申请空间为new T[N]时，new会调用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，并在申请的空间上执行N次构造函数；delete会在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，并调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。
定位new表达式
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。
示例：
A* p = (A*)malloc(sizeof(A)); // 此时p指向了已开辟的内存空间，因为没有调用构造函数，此时还不能算个对象
assert(p);
new(p)A(1);//定位new表达式，调用构造函数初始化
什么是内存池？
内存池是对内存分配的管理。正常创建变量的方式是new和malloc，但频繁的new与delete，malloc与free同操作系统交互，会降低程序的运行效率，增加内存中的内存碎片数（剩余的内存很足，但不是连续的内存，不足以被分配）。而内存池提前申请一片一定数量的、大小相等的内存备用。当需要时，在内存池中取用，不用时还给内存池。使得内存分配效率得到提升。
malloc/free和new/delete的区别
相同点：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同点：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