【C++】C/C++内存管理

1、C/C++内存分布

【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 – 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？【calloc = malloc + memset】
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
	
	//【2】这里需要free(p2)吗？【不需要】
	free(p3);
}

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3、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。
• 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[]，要匹配使用。
  

int main()
{
	//单个对象
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int; //自动计算大小，不需要强转

	//多个对象
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	int* p4 = new int[10];

	free(p1);
	free(p3);

	delete p2;
	delete[] p4;

	//额外支持了开空间+初始化
	int* p5 = new int(1);
	int* p6 = new int[10] {1, 2, 3};
	int* p7 = new int[10] {};

	delete p5;
	delete[] p6;
	delete[] p7;

	return 0;
}

❗注意：在申请自定义类型的空间时，new 会调用构造函数，delete 会调用析构函数，而 malloc 与 free 不会

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;

	ListNode(int val = 0)
		:_val(0)
		, _next(nullptr)
	{}
};

int main()
{
	//malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//p1->_a = 0;
	//p1->A(1);

	//自定义类型，开空间+调用构造函数初始化
	A* p2 = new A;
	A* p3 = new A(3);

	//自定义类型，调用析构函数+释放空间
	delete p2;
	delete p3;

	A* p4 = new A[10];
	delete[] p4;

	A aa1;
	A aa2;
	A* p5 = new A[10]{ aa1,aa2 }; //有名对象
	delete[] p5;

	A* p6 = new A[10]{ A(1),A(2) }; //匿名对象
	delete[] p6;

	A* p7 = new A[10]{ 1,2 }; //隐式类型转换

	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);
	ListNode* n5 = new ListNode(5);

	n1->_next = n2;
	n2->_next = n3;
	n3->_next = n4;
	n4->_next = n5;

	delete n1;
	delete n2;
	delete n3;
	delete n4;
	delete n5;

	return 0;
}

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4、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 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。
  

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5、new和delete的实现原理

【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，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】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
• delete的原理
  （1）在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  （2）调用 operator delete 函数释放对象的空间
• new T[N]的原理
  （1）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
  （2）在申请的空间上执行N次构造函数
• delete[]的原理
  （1）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
  （2）调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间

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6、定位new表达式（placement-new）

• 定位new表达式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】

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//new
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A)); //只开空间，没初始化
	//p1->A(2); //error【不能显示调用构造函数】
	new(p1)A(2); //【定位new，可以显式调用构造函数】
	
	//delete
	p1->~A(); //【可以显式调用析构函数】
	operator delete (p1);

	return 0;
}

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7、malloc/free和new/delete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（用法+底层原理）：
  【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
• 创造 new/delete 的目的：