C/C++内存管理

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前言

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一、c/c++内存分步

先来看一下下面的题复习一下c语言中的内存分布。
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？____

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);
}

答案：
globalVar在哪里？C staticGlobalVar在哪里？C
staticVar在哪里？C localVar在哪里？A
num1 在哪里？A
char2在哪里？A *char2在哪里？A
pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
ptr1在哪里？A ptr1在哪里？B
其中最有争议的就是char2在哪里，*pChar3在哪里。

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。
   

二、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？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
//使用realloc新开辟空间后不需要将p2给free，因为realloc有两种扩展内存的方式，如果p2后面的空闲内存还够的话就会直接在p2后扩新内存，此时如果将p2释放掉，就会出错了。
free(p3 );
}

三、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。

1、new/delete操作内置类型

在c语言中使用malloc函数来申请空间，使用free来释放空间，但是在c语言中并没有办法在申请空间时对空间中的数据进行初始化。在c++中使用new来申请空间，使用delete来释放空间。
需要注意的是：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[]，注意：匹配起来使用。

int main()
{
	//c语言中动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	*ptr1 = 10;
	free(ptr1);

	//c++中动态申请一个int类型的空间，不会初始化
	int* ptr2 = new int;
	
	//c++中动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr3 = new int(10);

	//c++中动态申请10个int类型的空间来作为数组空间，不会初始化
	int* ptr4 = new int[10];

	//c++中动态申请10个int类型的空间来作为数组空间，并且初始化这个数组的值
	int* ptr5 = new int[10]{ 1,2,3,4,5 };

	delete ptr2;
	delete ptr3;
	delete[] ptr4;
	delete[] ptr5;
	return 0;
}

2、new和delete操作自定义类型

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 = 10)
		:_a(a)
	{
		cout << "A的构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "A的析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//使用malloc申请空间时不会调用A的构造函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//使用new来对自定义类型申请空间时还会调用该自定义类型的构造函数。
	A* p2 = new A(1);

	free(p1);
	//使用delete来对自定义类型申请的空间进行释放时会调用该自定义类型的析构函数
	delete p2;
	cout << "-------------------------------------" << endl;


	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	//使用new申请一个有10个A类型大小的数组空间，会调用10次A的构造函数，因为有10个对象
	A* p4 = new A[10];

	free(p3);
	//使用delete将申请的空间释放，会调用10次析构函数，因为有10个对象
	delete[] p4;
	

	return 0;
}

3、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。
当我们使用new动态申请空间，使用delete进行空间释放时，我们可以看一下它们的底层实现，然后会发现new其实是调用了operator new这个函数，而delete是调用了operator delete这个函数。

我们可以看到operator new函数中申请空间也是使用的malloc，只不过使用operator new申请空间失败后，不是返回nullptr，而是抛出异常，那么为什么c++要使用operator new来对malloc进行一层封装呢？
这是因为c++是面向对象的，而面向对象的语言在出现错误时喜欢抛异常，但是c语言中malloc申请失败时返回nullptr，这不符合面向对象语言的处理方式，所以c++要实现一个operator new函数来封装malloc。

/* 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);
}

而operator delete函数内也是调用了free来进行空间释放，

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。

4、new和delete的实现原理

4.1 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。

4.2 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
3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作(因为要先将每个对象中申请的空间都先释放掉)
4. 调用operator delete函数释放对象的空间(然后再使用该对象所占的空间)
   new T[N]的原理
5. 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
6. 在申请的空间上执行N次构造函数
   delete[]的原理
7. 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
8. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

5、交叉使用malloc、new、free、delete的错误。

5.1 第一种情况

使用free来释放new A创建的对象，少调用了A的析构函数。但是因为A的析构函数中没有对其它空间进行释放，所以少调用了析构函数也没有事。并且使用delete来释放空间时，delete会先调用A的析构函数，然后delete再调用operator delete函数，operator delete函数内部也是使用free函数来释放空间。

class A
{
public:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{
		cout << "A的构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "A的析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//使用malloc申请空间时不会调用A的构造函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//使用new来对自定义类型申请空间时还会调用该自定义类型的构造函数。
	A* p2 = new A(1);

	free(p1);
	//使用delete来对自定义类型申请的空间进行释放时会调用该自定义类型的析构函数
	//delete p2;

	//使用free来释放new申请的空间，不会调用A类的析构函数
	free(p2);  //少调用了析构函数

	return 0;
}

5.2 第二种情况

下面的代码中使用Stack st；和 Stack* pst = new Stack；在内存中的空间是很不相同的。Stack st；即表示在栈区创建一个st对象，该对象占用栈中的空间为12字节(_data为int变量4字节，_top和_capacity为int型4字节)。而创建st对象时又会调用它的构造函数Stack()，在Stack()函数中_data=new int[4]；语句使用new在堆区动态申请了一个大小为16字节的数组。
Stack pst = new Stack;即表示先使用new在堆区中动态申请了一个12字节大小的空间，即在堆区中创建了一个Stack类类型的对象，pst为一个在栈区的Stack*类型的指针，大小为4字节，pst的值就是堆区中使用new创建的对象的地址。使用new创建对象时会调用它的构造函数Stack()，在Stack()函数中_data=new int[4]；语句使用new在堆区动态申请了一个大小为16字节的数组。所以st和pst的内存图如下所示。

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_data = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}
	~Stack()
	{
		delete[] _data;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}

private:
	int* _data;
	int _top;
	int _capacity;
};


int main()
{
	Stack st;
	Stack* pst = new Stack();
	delete pst;

	return 0;
}

使用Stack st创建的对象不需要手动销毁，因为对象st在栈区，出了作用域后编译器会自动销毁，并且在出了作用域后st对象销毁前会自动调用该对象的析构函数来将构造函数中使用new动态申请的数组所占的大小使用delete给释放掉。但是如果在创建Stack* pst = new Stack；后使用free(pst)来释放new申请的空间时，虽然会将new在堆区申请的12字节的对象所占用的空间给释放掉，但是free不会调用对象的析构函数，这样就会少调用一次析构函数，即在堆区中的对象的构造函数使用new动态申请的数组所占的空间就不会被释放掉，这样就会发生内存泄漏。
而如果使用delete pst来释放new申请的空间的话就不会发生内存泄漏，因为delete pst时，会先调用该对象的析构函数，确保该对象申请的空间都能够被释放，然后再调用operator delete函数，在operator delete函数内调用的还是free函数。
可以看到free就比delete少调用了析构函数。

5.3 第三种情况

上面的两种情况虽然是错误的写法，但是运行时程序还不会挂掉，但是下面的情况中如果没有匹配使用的话，程序会直接在运行时挂掉。

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_data = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}
	~Stack()
	{
		delete[] _data;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}

private:
	int* _data;
	int _top;
	int _capacity;
};


int main()
{
	Stack* pst = new Stack[10];
	//free(pst);   //程序会终止
	//delete pst;  //程序会终止
	delete[] pst;  //正确用法
	return 0;
}

这是因为当使用new[]来申请空间时，编译器会在申请空间时多申请4个字节放在申请空间的前面，用来存析构函数要调用的次数。而当使用free pst时不会调用析构函数，所以就不会去前面读取这4个字节空间的内容，并且free释放空间时也不会从这4个字节开始释放。delete虽然会调用析构函数，但是它也不会去前面读取这4个字节空间的内容，所以delete释放空间时也不会从这4个字节开始释放。所以使用free和delete来释放new[]申请的空间都会出错。而使用delete[]来释放空间时，会向前偏移4个字节来进行释放，所以不会出错。

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
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。

class A
{
public:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{
		cout << "A的构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "A的析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A aa;
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	
	//对一块已有的空间初始化 -- 定义new
	//即会调用构造函数来对p1指向的空间的对象进行初始化
	new(p1)A(1);

	//显示调用析构函数。注意构造函数不可以显示调用，析构函数可以显示调用
	p1->~A();  
	free(p1);
	return 0;
}

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：

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