学习-＞C++篇四：C、C++的内存管理

目录

1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理方式

malloc原理：

3. C++中动态内存管理

（1）new/delete操作内置类型

（2）new/delete操作自定义类型

（3） operator new与operator delete函数

（4） 定位new表达式(placement-new)

（5）malloc、free和new、delete的区别

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1. C/C++内存分布

C/C++程序内存区域划分为：

栈区：存储局部变量，函数参数，函数返回值，栈是向下增长的（压栈）。

内存映射段：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。

堆区：程序运行时的动态内存分配，堆可以向上增长。

静态区（数据段）：存储静态变量，全局变量。

常量区（代码段）：存储只读常量（字符串常量），可执行代码（二进制指令）。

2. C语言中动态内存管理方式

C语言用这四个函数来管理动态内存：malloc,calloc,realloc,free

malloc,calloc,realloc的区别：

        malloc是分配堆区上的空间，分配的空间的值不确定，而calloc则是分配num个元素的空间，每个元素size字节，并将每个元素初始化为0，两个函数区别就是是否初始化空间中值为0。

        realloc常用于扩容，在原来的空间上开辟更大的空间，或者找一块更大的空间，将原有数据拷贝，并释放原空间，前者方法是在原来空间后有足够大的空间时使用的。

        三个函数在空间开辟失败时都会返回NULL。

malloc原理：

1）当开辟的空间小于 128K 时，调用 brk（）函数，移动指针 _enddata(_enddata 指的是 Linux 地址空间中堆段的末尾地址)

2）当开辟的空间大于 128K 时，系统调用mmap（）函数来在虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为“文件映射区域”的地方）找一块空间来开辟。

如图：

1）brk 是将数据段（.data）的最高地址指针 _enddata 往高地址推

2）mmap 是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为“文件映射区域”的地方）找一块空闲的虚拟内存。

        这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

3. C++中动态内存管理

C++引入new和delete操作符来进行动态内存管理，更便捷，适用范围更广。

（1）new/delete操作内置类型

例如：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
using std::cout;
using std::cin;
using std::endl;

void test(){
	int* p1 = new int;//动态内存申请一个int类型大小的空间
	int* p2 = new int(10);//动态内存申请一个int类型大小的空间，并初始化为10
	int* p3 = new int[10];//动态内存申请一个10个int类型大小的空间
	int* p4 = new int[10]{20,30}; //动态内存申请一个10个int类型大小的空间,
								//并将前两个元素初始化为20，30
	cout << *p1 << endl;
	cout << *p2 << endl;
	cout << *p3 << endl;
	cout << *p4++ << endl;
	cout << *p4-- << endl;

	delete p1;
	delete p2;
	delete[]p3;//delete[]要和new[]搭配使用
	delete[]p4;//delete[]要和new[]搭配使用
	return;//new[]是申请连续的存储空间,delete[]是释放连续的存储空间
}
int main() 
{
	test();
	return 0;
}

（2）new/delete操作自定义类型

        在用new和delete操作内置类型时，和用malloc和free没什么区别，但在操作自定义类型时就不一样了。因为new不仅会开辟空间，还会调用自定义类型的默认构造函数，delete则会调用其析构函数并释放空间，而malloc和free只有开辟空间和释放空间。

例如：

class A {
public:
	A(int m=200):_m(m) { cout << "A() is called!" << endl; }
	~A() { cout << "~A() is called!" << endl; }
	void print() { cout << "m==" << _m << endl; }
	int _m = 100;
};
void test()
{
	A* a1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	a1->print();
	
	cout << "--------------" << endl;
	A* a2 = new A;
	a2->print();
	delete a2;
	cout << "--------------" << endl;

	free(a1);
	return;
}
int main() 
{
	test();
	return 0;
}

输入如下：

（3） operator new与operator delete函数

函数原型：(还有另外4个不抛出bad_alloc异常的版本）

void* operator new（size_t);

void* operator new[]（size_t);

void* operator delete(void*);

void* operator delete[](void*);

        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在底层通过调用operator delete全局函数来释放空间。（注意：这两个函数并没有重载new和delete表达式，与其他operator函数不同）

        

         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。 

        倘若有打印日志信息等需求，就可以重载全局函数operator new和operator delete来检测内存泄漏。

new和delete的实现原理:

         对内置类型由（1）可知：

new和malloc，delete和free是类似的。

但new和delete是申请和释放单个元素的空间，new[]和delete[]是申请和释放连续的一段空间。

new开辟空间失败时抛异常，malloc则返回NULL。                 

        对自定义类型：

new：调用operator new开辟空间，再调用构造函数初始化对象。

delete：调用析构函数清理对象的资源，再调用operator delete释放空间。

new T[N]:调用operator new[]函数开辟空间，operator new[]实际上是调用了operator new申请N个对象的空间，再调用N次构造函数初始化N个对象。

delete[]: 调用N次析构函数，再调用 operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

（4） 定位new表达式(placement-new)

        operator new和operator delete是标准库的全局函数，可以直接调用它们来开辟/释放空间，这时operator new开辟的空间，还没调用构造函数初始化对象，应该使用定位new表达式来构造对象。定位new一般配合内存池使用，因为内存池分配的空间没有初始化，需要用定位new表达式，显示调用构造函数来进行初始化。

格式：

new (place_address) type

new (place_address) type(initializer-list)

place_address必须是指针，initializer-list是以逗号分隔的初始化列表。

例如：

class A {
public:
	int m_a;
	A(int a=0):m_a(a) { cout << "call A(int a=0)" << endl; }
	~A() { cout << "call ~A()" << endl; }
};
int main() {
	A* p = (A*)operator new(sizeof(A));
	new (p)A{ 100 };
	cout<m_a<~A();//用对象的指针或引用显示调用析构函数
	operator delete (p);

	return 0;
}

 输出：

（5）malloc、free和new、delete的区别

定位上：

malloc和free是函数，new和delete是操作符

使用上：

malloc申请的空间不会初始化，new则可以

malloc返回的指针是void*需要强制类型转换，new则自动根据类型匹配，不用强制类型转换

malloc需要手动计算空间大小去开辟，new则是自动计算类型大小

malloc是开辟空间，开辟失败返回NULL，需要对指针判空操作，new则是开辟空间并调用构造函数，开辟失败时抛异常，需要捕获异常

free是释放空间，delete是调用析构函数并释放空间

原理上：

new本质是调用operator new开辟空间，而operator new本质上也是调用malloc开辟空间，delete也同理，本质上也是调用free函数。

operator new和operator delete的源码：

void* __CRTDECL operator new(size_t const size)
{
    for (;;)
    {
        if (void* const block = malloc(size))
        {
            return block;
        }

        if (_callnewh(size) == 0)
        {
            if (size == SIZE_MAX)
            {
                __scrt_throw_std_bad_array_new_length();
            }
            else
            {
                __scrt_throw_std_bad_alloc();//申请空间失败，抛异常
            }
        }
    }
}
void __CRTDECL operator delete(void* const block) noexcept
{
#ifdef _DEBUG
		_free_dbg(block, _UNKNOWN_BLOCK);
#else
		free(block);
#endif
}