3. 动态内存

动态开辟内存

new 的原理

new 运算符在分配内存的时候分两步进行：1.调用operator new来配置内存；2.调用对象的类的构造函数进行初始化；

怎么判断new是否分配内存成功，new在什么情况下会分配失败?

当分配失败会抛出 bac_alloc 异常。当内存不足，或超出限制时会造成分配失败。

malloc 的实现原理

void* malloc(size_t __size);

在标准 C 库中，提供了 malloc/free 函数分配释放内存，这两个函数底层是由 brk、mmap、，munmap 这些系统调用实现的。

brk 是将数据段(.data)的最高地址指针_edata 往高地址推，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；

malloc 小于 128k 的内存，使用 brk 分配内存，将_edata 往高地址推；malloc 大于 128k 的内存，使用 mmap 分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配；brk 分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放，而 mmap 分配的内存可以单独释放。当最高地址空间的空闲内存超过 128K（可由 M_TRIM_THRESHOLD 选项调节）时，执行内存紧缩操作（trim）。在上一个步骤 free 的时候，发现最高地址空闲内存超过128K，于是内存紧缩。

malloc 是从堆里面申请内存，也就是说函数返回的指针是指向堆里面的一块内存。操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操作系统收到程序的申请时，就会遍历该链表，然后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后就将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。

calloc 和 realloc

void *calloc(size_t num_elements,size_t element_size);
void realloc(void *tr , size_t new_size);

malloc和calloc间的主要区别在于后者在返回指向内存的指针之前把它初始化为0。另一个区别是calloc的参数包括所需的元素的数量和每个元素的字节数。

realloc函数用于修改一个原先已经分配的内存块的大小。可以使一块内存扩大或缩小，如果扩大内存，则原来的内存块保持不变，在内存尾部增加新的内存块，切不进行初始化。如果缩小内存，则原来内存块从尾部进行删减。如果原先的内存块无法扩充，则新开辟一块内存，并复制原先的内存的内容，原先内存块失效无法再进行访问。

new 和 malloc 的区别

1. new 是 C++ 的运算符，malloc 是 C 语言的库函数，new 在申请内存空间时不需要指定空间的大小，而 malloc 需要；
2. new 内存分配失败时，会抛出 bac_alloc 异常。malloc 分配内存失败时返回 NULL
3. new 申请内存的时候分两个步骤，首先是使用 operator new() 配置内存，然后是调用类的构造函数；malloc 是通过系统调用申请内存的；
4. new 返回申请类型的指针，malloc 函数返回的是 void*，需要进行类型的强制转换；

内存池

在使用通用方式（new，delete 或 malloc，free）申请内存时，需要频繁的系统调用，而且容易造成内存碎片，内存池（memory pool）是与现在系统中请求一大片连续的内存空间，然后在运行时根据实际需要分配出去的技术。使用内存池的优点有：

1. 速度远比 malloc/free 快，因为减少了系统调用的次数，特别是频繁申请/释放内存块的情况
2. 避免了频繁申请/释放内存之后，系统的大量内存碎片
3. 节省空间

实现方式：
应用程序可以通过调用系统的内存分配函数预先一次性申请适当大小的内存作为一个内存池，并为这个内存池类或结构体定义一些分配和释放内存块的成员函数。
之后应用程序自己对内存的分配和释放则可以通过这个内存池类及其成员函数来完成。
只有当内存池大小需要动态扩展时，才需要再调用系统的内存分配函数，其他时间对内存的一切操作都在应用程序的掌控之中。

动态释放内存

delete 和 free

delete 和 new 一样，分两步，先调用析构函数，再调用 operator delete() 释放内存。delete 只能和 new 配合使用，delete 不能释放 malloc 配置的内存。

free 和 malloc 配合使用，通过系统调用释放内存。

allocator

在STL中，Memory Allocator 处于最底层的位置，为一切的 Container 提供存储服务，是一切其他组件的基石。对于一般使用 STL 的用户而言，Allocator 是不可见的，如果需要对 STL 进行扩展，如编写自定义的容器，就需要调用 Allocator 的内存分配函数进行空间配置。

在C++中，一个对象的内存配置和释放一般都包含两个步骤，对于内存的配置，首先是调用operator new来配置内存，然后调用对象的类的构造函数进行初始化；而对于内存释放，首先是调用析构函数，然后调用 operator delete进行释放。

allocator 将这两个过程分开，配置内存放在 allocate() 函数中，对象构造放在 construct() 函数中完成；相应的，内存释放由 deallocate() 负责，对象析构由 destroyt() 负责。

allocator 在配置内存时，设计两级配置器，当申请内存超过 128 bytes 视为大区块，直接使用 malloc 完成配置，这是第一级配置器；当配置区小于 128 bytes 时，视之为“过小”，第二层配置器为了降低额外负担，便采用复杂的 memory pool 整理方式，而不再求助于第一级配置器。整个设计究竟只开放第一级配置器，或是同事开放第二级配置器，取决于 __USE_MALLOC 是否被定义。

allocator 的第二级配置器的作用是避免小区块内存的申请，造成内存碎片。第二级配置器的做法是，如果区块小于 128 bytes，则以内存池管理，此做法成为次层配置：每次配置一大块内存，并维护对应的自由链表(free-list)，下次若再由相同大小的内存需求，就直接从 free-list 中拨出，如果释放小额区块，就有配置器回收到 free-list 中。配置器除了负责配置，也负责回收。为了方便管理，SGI 第二级配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至 8 的倍数，并维护 16 个 free-list。当 allocator 发现 free-lists 中没有可用区块时，就调用 refill()，准备为 free-list 重新填充空间。新的空间将取自内存池（经由 chunk_alloc() 完成）。缺省取得 20 个新节点（新区块），但万一内存池空间不足，获得的节点数（区块数）可能小于 20。