C++内存管理
目录
前言：C/C++内存分布编辑
一、C++内存管理方式
1、内置类型
2、自定义类型
3、初始化
二、 辨析变量存储位置
三、operator new与operator delete函数
四、new和delete的实现原理
1、内置类型
2、自定义类型
3、结论：
五、定位new表达式
六、malloc/free和new/delete的区别
前言：C/C++内存分布
- 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。
- 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。
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
- 数据段--存储全局数据和静态数据。
- 代码段--可执行的代码/只读常量。
一、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、内置类型
内置类型分配空间C和C++方式如下 ：
int main()
{
int* pp1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p1 = new int;
int* pp2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
int* p2 = new int[10];
return 0;
}
释放空间也有所区别：
int main()
{
int* pp1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p1 = new int;
free(pp1);
delete p1;
int* pp2 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
int* p2 = new int[10];
free(pp2);
delete[] p2;
return 0;
}2、自定义类型
C++的new和delete专门为自定义类型而生。
new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间，还会调用构造函数和析构函数
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* pp3 = (A*)malloc(sizeof(A));
free(pp3);
A* p3 = new A(1);
delete p3;
return 0;
}- new A(1) 分配了一个类型为 A 的对象，调用了 A 类的构造函数。
- 而 malloc(sizeof(A)) 分配了与 A 类型大小相同的原始内存块，没有调用 A 类的构造函数。
- 在使用 malloc 分配内存后，你需要手动调用构造函数，否则对象不会被正确地初始化。在释放内时，delete 会调用对象的析构函数，而 free 不会。
在C++中，
new和malloc都用于动态分配内存，但它们有一些关键的区别：
-
构造和析构调用：
- 使用
new运算符分配内存时，会调用对象的构造函数来初始化对象。 - 使用
malloc函数分配内存时，只是分配了一块原始的内存块，没有调用任何构造函数。你需要手动调用构造函数来初始化对象。
- 使用
-
大小计算：
new运算符知道要为哪种类型的对象分配内存，因此它会自动计算所需的大小，并分配足够的空间。malloc函数只是分配指定大小的原始内存块，不考虑所分配内存的类型。你需要手动指定大小。
-
类型安全：
new是类型安全的，因为它在分配内存的同时会调用对象的构造函数。malloc不关心内存中保存的是什么类型的数据，因此它不提供类型安全性。你需要自己确保在分配的内存上正确地构造和使用对象。
-
返回类型：
new返回指定类型的指针。malloc返回void*，需要进行类型转换。
以后我们动态分配空间就用new与delete配套使用，比如下面的链表的节点就可以使用。
struct ListNode
{
int _val;
ListNode* _next;
ListNode(int val)
:_val(val)
, _next(nullptr)
{}
};
int main()
{
ListNode* n1 = new ListNode(1);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(3);
return 0;
}
3、初始化
使用new动态分配空间时，也可以初始化。
int main()
{
//int* p1 = new int; // 不会初始化
int* p1 = new int(10);// 申请一个int，初始化10
int* p2 = new int[10];// 申请10个int的数组
int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};
return 0;
}在调试中可以观察到初始化情况：
二、 辨析变量存储位置
在C/C++中，变量的存储位置取决于它们的生命周期和作用域。全局变量和静态变量存储在数据段，它们的生命周期是整个程序的运行时间。局部变量和函数参数存储在栈上，它们的生命周期是函数的执行时间。动态分配的内存存储在堆上，它的生命周期由程序员控制，使用malloc, calloc或realloc分配，使用free释放。字符串常量存储在代码段，它的生命周期是整个程序的运行时间。
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);
} 
globalVar在数据段(静态区)。全局变量存储在数据段。staticGlobalVar也在数据段(静态区)。静态全局变量也存储在数据段。staticVar在数据段(静态区)。函数内的静态变量存储在数据段。localVar在栈上。函数内的局部变量存储在栈上。num1在栈上。数组是局部变量，存储在栈上。char2在栈上。字符数组是局部变量，存储在栈上。pChar3在栈上，但它指向的字符串"abcd"在代码段(常量区)。指针变量本身是局部变量，存储在栈上，但它指向的字符串常量存储在代码段。ptr1在栈上，但它指向的内存在堆上。指针变量本身是局部变量，存储在栈上，但通过malloc分配的内存存储在堆上。*char2在栈上。它是字符数组的第一个元素，存储在栈上。*pChar3在代码段(常量区)。它是字符串常量的第一个字符，存储在代码段。*ptr1在堆上。它是通过malloc分配的内存的第一个元素，存储在堆上。
三、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。
int main()
{
// 失败了抛异常
int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int*));
// 失败返回nullptr
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int*));
if (p2 == nullptr)
{
perror("malloc fail");
}
return 0;
}
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);
}
/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
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;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)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。
四、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
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
new 变量[N]的原理
- 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。
- 在申请的空间上执行N次构造函数。
delete[]的原理
- 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。
- 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
// 申请空间 operator new -> 封装malloc
// 调用构造函数
A* p5 = new A;
cout << endl;
// 先调用析构函数
// 再operator delete p5指向的空间
// operator delete -> free
delete p5;
cout << endl;
// 申请空间 operator new[] ->perator new-> 封装malloc
// 调用10次构造函数
A* p6 = new A[10];
cout << endl;
// 先调用10次析构函数
// 再operator delete[] p6指向的空间
delete[] p6;
cout << endl;
return 0;
}
输出结果：
下面两种情况可以正常运行
int* p7 = new int[10];
free(p7); // 正常释放
A* p8 = new A;
free(p8); // 没有调用析构函数，不需要资源清理。 
自定义类型的成员变量如果需要资源清理，则一定要使用delete。
class Stack
{
public:
Stack()
{
cout << "Stack()" << endl;
_a = new int[4];
_top = 0;
_capacity = 4;
}
~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
delete[] _a;
_top = _capacity = 0;
}
private:
int* _a;
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
Stack st;//自定义类型调用构造
Stack* pst = new Stack;//指针是内置类型
delete pst;
//free(pst); // 使用free则少调用了析构函数，会造成内存泄漏
return 0;
}
-
st是一个自定义类型的对象，它是通过调用Stack类的构造函数创建的。在main函数中，Stack st;语句会调用Stack类的默认构造函数Stack()。构造函数会分配一个包含 4 个整数的动态数组_a，并将_top和_capacity初始化为 0 和 4。构造函数执行完毕后，st对象就被创建并可以使用。 -
pst是一个指向Stack类型对象的指针，它是通过使用new运算符动态分配内存创建的。在main函数中，Stack* pst = new Stack;语句会调用Stack类的默认构造函数Stack()，并返回一个指向新创建的Stack对象的指针。通过new创建的对象在堆上分配内存，因此需要使用delete运算符手动释放内存。在代码的最后，delete pst;语句会调用Stack类的析构函数~Stack()，释放pst指向的对象所占用的内存，并将指针置为无效。 - 需要注意的是，使用
free函数释放通过new分配的内存是不正确的。free函数是用于释放通过malloc、calloc或realloc分配的内存，而不是用于释放通过new分配的内存。如果使用free(pst)，则会导致析构函数未被调用，从而造成内存泄漏。
在delete pst中，先调用析构函数，再调用operator delete(pst)。
3、结论：
new/malloc系列 有底层实现机制有关联交叉。不匹配使用可能有问题，也可能没问题，建议大家一定匹配使用 。
五、定位new表达式
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 = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，
// 因为构造函数没有执行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}六、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：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符。
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。