【CC++】基础：内存管理

【C/C++】基础：内存管理

1. 代码将会放到： https://gitee.com/liu-hongtao-1/c–c–review.git ，欢迎查看；
2. 欢迎各位点赞、评论、收藏与关注，大家的支持是我更新的动力，我会继续不断地分享更多的知识；
3. 文章多为学习笔记，以综述学习的重点为主，可能有一些细节没有提及或把握不到位，感谢理解；

一、C/C++内存分布

对于32位的机器，内存空间大小为4GB，从低地址到高地址，分别划分区域为：正文代码、初始化数据、未初始化数据、堆、共享区、栈区与命令行参数环境变量几个部分。其中需要注意的是栈的地址是从高地址向低地址使用的，而堆区相反。

• 栈：也称堆栈，非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
• 共享区：也称内存映射段，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：包括初始化数据、未初始化数据、字符常量，用于存储全局数据和静态数据。
• 代码段：可执行的代码/只读常量

二、C的动态内存管理

可以参考过往博客：【C/C++】基础：动态内存管理-CSDN博客，其中详细介绍了C语言关于动态内存开辟的由来与优势，再介绍动态内存开辟的方法，最后会列举常见错误与相应练习帮助大家巩固。

三、C++的动态内存管理

3.1 new和delete

作用：由于C语言无法用原存在的关于动态内存管理的方法，来对自定义类型进行构造函数的调用，因而引入new和delete

使用

• 内置类型：包括初始化和不初始化两种形式

  int *p1 = new int;// 不初始化
  int* p2 = new int(0);//初始化
  

• 自定义类型：包括初始化和不初始化两种形式

  A* pa1 = new A;
  A* pa2 = new A(2);
  

• 数组：内置类型包括初始化和不初始化两种形式，自定义类型无法初始化

  int* p3 = new int[10];// 不初始化
  int* p4 = new int[10]{1,2,3,4,5,6};//初始化
  A* pa3 = new A[10];
  

注意：

• new/malloc系列 有底层实现机制有关联交叉，但建议C语言的动态内存管理与Cpp的动态内存管理不要混用
• 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[]
• 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

3.2 operator new与operator delete函数

作用：封装C语言的动态内存管理，将返回空指针更改为抛出异常，符合C++的设计要求

• 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，如果更改应对措施用户设置，则继续申请，否则抛异常。
• operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的，释放空间失败抛异常

源码：

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);
}
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;
}

说明：

• 与malloc和free的区别：operator new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。

• 对于自定义类型而言，内置类型相似：

  • 与new的关系： 为调用了operator new ，调用封装malloc，再调用构造函数

    从汇编角度理解：

    	int *p1 = new int;// 不初始化
    	......
    009B1C99  call        operator new (09B114Ah)  
    	...... 
    

  • 与new[]的关系如果是是数组则会调用new[]，原理为：调用operator new[]后，调用operator new，最后调用封装malloc，以及调用多次构造函数

    从汇编角度理解：

    	int* p3 = new int[10];// 不初始化
    	......
    009B1CF8  call        operator new[] (09B11E0h)  
    	......
    

  • 与delete的关系：调用析构函数 再调用operator delete释放空间

    从汇编角度理解：

    	delete p1;
        ......
    001A1CFF  call        operator delete (01A10AAh)  
    	......
    

  • 与delete[]的关系：调用多次析构函数，再调用operator delete[]，在调用operator delete释放空间

    从汇编角度理解：

    	......
    001A1D3C  call        operator delete[] (01A1320h)  
    	......
    

四、定位new

作用：对已有的空间初始化

使用：new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)，其中place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

• 定位new

  A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
  if (p1 == nullptr){
      perror("malloc fail");
  }
  new(p1)A(1);
  

  A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
  if (p1 == nullptr){
      perror("malloc fail");
  }
  new(p1)A;
  

• 显示调用析构函数

  p1->~A();
  free(p1);
  

常见场景：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。

五、区分

5.1malloc/free和new/delete的区别：

• 用法
  • 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
• 底层原理
  • 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

5.2 delete与delete[]的区别

• 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

5.2 delete与delete[]的区别

不同编译器存在不同区别，常见如下：对于new T[]，编译器会在开辟数组空间前，提前开辟一个整型空间，用于存放数组个数，由此，在调用delete[]时，就会通过该整型数组获取数组大小，从而得知调用调用析构函数的次数。而delete则不需要多开辟一个整型空间