【C++】内存管理

前言：
内存管理

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一、内存分布

内存分布通常可以分为以下几个区域：

1. 栈（Stack）：栈用于存储局部变量、函数参数和函数返回地址等信息。且向下增长

2. 堆（Heap）：堆用于动态分配内存，即通过 new、malloc 等关键字在运行时分配内存。

3. 数据段 （全局/静态存储区 Global/Static Storage Area）：全局变量和静态变量在程序启动时被分配在全局/静态存储区域。全局变量在整个程序执行期间都存在，而静态变量具有局部作用域（局部静态变量，例如在函数中声明的静态变量）但生命周期与程序执行期间一样长。全局/静态存储区的内存分配在程序启动时完成，在程序结束时释放。

4. 常量存储区（Constant Storage Area）：常量字符串等常量数据存储在常量存储区，其内容在程序运行期间不可改变。常量存储区的内存通常位于程序的可执行文件中，因此称为常量存储区。

5. 代码区（Code Area）：**代码区存储程序的机器指令，即可执行代码。**代码区通常位于可执行文件的某个特定部分，在程序执行时被加载到内存中供CPU执行。

我们来看一下这些例子：

int globalVar = 1;//globalVar是全局变量，存在数据段上

static int staticGlobalVar = 1;//staticGlobalVar是静态变量，存在数据段上

int main(){
    static int staticVar = 1;//staticVar局部静态变量，存在数据段上
    
    int localVar = 1;//localVal是局部变量，在栈上
    
    int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//num1局部变量，在栈上
    
    //char2是数组名，首元素地址，存在栈上；
    //*char2，实际上是字符'a'且字符串"abcd"也是在栈中，所以*char2同样存在栈中
    char char2[] = "abcd";
	
	//pChar3是指针变量，存放在栈中;
	//因为加了const修饰，所以字符串常量"abcd"存储在常量存储区，只读操作，不可修改；如果没有const修饰，就存在栈中，因此加了const修饰后，*pChar3储存在常量区
    const char* pChar3 = "abcd";

	//ptr1是指针变量，存在栈中；*ptr1是分配的内存，存在堆中
    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
    free(ptr1);
}

二、C和C++中的动态内存管理

C 中的动态内存管理

1. 动态内存分配函数：C 中的动态内存分配函数包括 malloc(), calloc(), realloc()。例如：

   int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); // 分配一个包含 10 个整数的内存块
   

2. 释放动态分配的内存：使用 free() 函数可以释放动态分配的内存，防止内存泄漏。例如：

   free(ptr); // 释放动态分配的内存
   

C++ 中的动态内存管理

1. 动态内存分配运算符：C++ 中使用 new 运算符来动态分配内存。例如：

   int* ptr1 = new int(1); // 分配一个整型并初始化
   int* ptr2 = new int[10]; // 分配一个包含 10 个整数的内存
   int* ptr3 = new int[5] = {1, 2, 3, 4, 5};// 分配五个整型并初始化
   

2. 释放动态分配的内存：使用 delete 运算符释放动态分配的内存，与 C 中的 free() 相对应。例如：

   // 释放动态分配的内存
   delete ptr1;
   delete[] ptr2; 
   delete[] ptr3;
   

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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。

而operator new 和 operator delete 在大多数系统中，底层会使用 malloc 和 free来分配或释放内存，但在一些特定的环境中，可能会使用其他的内存分配和释放函数。

四、定位 new （了解）

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。

一般的 new 表达式会分配内存并在该内存上构造对象，而定位 new 表达式则允许你提供一个已经分配的内存地址来构造对象。

定位new表达式的基本语法：

new (pointer) Type(initializer)

其中，pointer 是一个指向要构造对象的内存位置的指针，Type 是要构造的对象类型，initializer 是可选的初始化参数。

以下是一个示例，演示了如何使用定位new表达式：

#include 

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : m_value(value) {
        std::cout << "Constructing MyClass with value: " << m_value << std::endl;
    }
private:
    int m_value;
};

int main() {
    // 分配内存
    char buffer[sizeof(MyClass)];

    // 在给定内存位置上构造对象
    MyClass* obj = new (buffer) MyClass(42);
    
    return 0;
}

在这个示例中，我们首先分配了足够大的内存缓冲区（buffer），然后使用定位new表达式在该缓冲区上构造了一个 MyClass 对象。注意，我们在构造对象后，可以像常规指针一样使用该对象。

定位new表达式的一个常见用途是在特定的内存位置上构造对象，比如在实现自定义内存池或者对象池时。

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五、malloc/free和new/delete的区别

不同点：

1. malloc 和 free 是 C 语言中的函数，而 new 和 delete 是 C++ 中的操作符。

2. malloc 分配的内存不会初始化，而 new 可以初始化。但是需要注意，对于内置类型（如 int、double 等），new 分配的内存并不会被初始化。

3. malloc 需要手动计算空间大小并传递，而 new 不需要，因为它知道要分配的类型的大小。对于数组，new 可以使用 [] 指定对象个数。

4. malloc 的返回值是 void*，需要显式转换为目标类型，而 new 返回的是所分配类型的指针，不需要显式转换。

5. 当内存不足时，malloc 返回 NULL，需要检查是否为 NULL，而 new 抛出 std::bad_alloc 异常。

6. 对于自定义类型，malloc 和 free 只是分配和释放内存，并不会调用构造函数和析构函数。而 new 在分配内存后会调用构造函数初始化对象，delete 在释放内存前会调用析构函数。

共同点：

• 都用于从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

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