C++内存管理/函数模板/类模板

一、C++内存管理

C++中内存基本形式与C语言类似，可以参考下图。

X64环境下总共大小为8G,X86环境下为4G。

1、内核空间：用户不能读写，但要占用一定空间。

2、栈区：以开辟、销毁栈帧形式运行，主要应用于局部变量和函数栈帧。以及在函数递归中，反复多次开辟、销毁栈帧，使得空间有能够重复利用的可能（死递归时栈溢出）。

向下增长。

但这种向下增长在具体情景下也会受到编译器优化的制约。 

3、堆区：用来动态内存分配的，所占空间较大。VS的X86环境下大约为2G，占一半左右。

4、数据段：存储  静态/全局变量

5、代码段：存储全局函数，类的成员函数。一些常量/字符串，且不能被修改。

二、new/delete

与C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

用法：

new/delete均是操作符，不再是malloc和free这样的函数。

直接用 new+类型即可，直接定义出对象，这个类型可以是内置类型也可以是自定义类型，可以传参（）/使用缺省值，还可以直接定义出多个对象[]。

new可以直接得到调用构造函数初始化了的对象，使用起来更加方便。

 这里我使用了缺省值创建了10个A类型的对象，会分别调用10次构造函数，每一个对象里的_a都会被初始化为10.

 传参/匿名对象时同样涉及编译器优化的问题，连续的拷贝构造/构造会被优化为直接构造。

底层：

 new是开空间+调用构造函数对对象进行初始化，由于面向对象语言特性，需要抛异常，又封装了一层operator new（为全局函数，不是运算符重载）

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。

应用在自定义类型：

 new一个Stack类型时，先开空间，然后调用构造函数，对于Stack的成员变量进行初始化，如果有深拷贝，这个深拷贝也可以被完成。

delete一个Stack类型时，先调用析构函数，进行资源清理，其中深拷贝的部分在析构函数中完成清理，最后再将这个Stack对象的空间给释放。

三、函数模板

C++中类class的引入，使得类型不仅仅是内置类型，更多的是自定义类型。

而由于自定义类型的不确定性，会出现无数多个自定义类型，我们就需要一套通用于所有类型的规则，只需要用一个参数/变量来区分这个类型即可。

例如Swap函数，可以交换内置类型，在C++中，我们希望它也可以做到自定义类型的交换。通过之前函数重载的学习，我们可以通过多次函数重载来实现，但是会有下面2个问题。

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数。
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。（且如果涉及函数功能的变化，每个类型的重载函数都需要修改）
因此，在C++中，我们升级了编译器。可以完成泛型编程。

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。
即指定某些参数（来替代类型）交给编译器，使得编译器得到一个模板，用户只要再通过传参等方式，使得编译器确定这个参数，就能自动生成相应的模板函数或模板类。（函数模板和类模板是模板，模板函数/模板类是编译器生成的具体的函数/类）

函数模板的实例化：

 通过反汇编可以看出，编译器确实  实例化出了2个不同的函数。

编译器必须确定模板参数：

隐式实例化：

隐式即不指定模板参数T的类型，通过编译器自动推导而得出T的类型（无歧义）。

 只有1个模板参数T，传入int类型的a1，和double类型的d1，因此编译器推导不出模板参数T的具体类型，就会报错。

显示实例化：

这里通过和指定了模板参数T的类型，就会使编译器相应的生成并调用对应的Add函数。

 

也可以定义2个模板参数T1和T2，这样就不用管传入的2个参数类型是否相同的。

不过，如果要返回T1或者T2，实参的顺序还是有影响的。 

最后这种情况，由于模板参数T不是通过传参来确定的，就必须通过<>中提前确定T的类型。

模板参数的匹配原则：

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数。

2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板。

3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

 四、类模板 

定义：

在类的前面，加上template<>,<>内加上这个类中需要用到的模板参数，可以有多个，如下。

 

 栈本身的实现是相同的，但栈中要存储什么元素是事先不知道的。

C语言中需要使用typedef定义同样的类型datatype，但是当我们需要同时使用int栈和double栈时，就必须定义StackInt和StackDouble了。

而在C++中，可以直接用一个模板参数T，来表示要存储的元素类型。

定义声明分离：

 定义内，如果要用到模板参数，需要在前面使用template指定，它们的作用范围就是这个函数的实现范围。

对于类模板，类名和类型是不同的。类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

Stack不为类型，仅为类名，Stack和Stack实例化出的类才是真正的类型。

因此在类外定义成员函数，指定类域时，必须使用class的类型。（类同名时无法区分，必须要通过模板参数T区分，因此指定类域必须通过T）