C++内存管理

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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

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。
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。

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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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);
}

1. globalVar 在数据段(静态区)。全局变量存储在数据段。
2. staticGlobalVar 也在数据段(静态区)。静态全局变量也存储在数据段。
3. staticVar 在数据段(静态区)。函数内的静态变量存储在数据段。
4. localVar 在栈上。函数内的局部变量存储在栈上。
5. num1 在栈上。数组是局部变量，存储在栈上。
6. char2 在栈上。字符数组是局部变量，存储在栈上。
7. 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。
8. 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。
9. *char2 在栈上。它是字符数组的第一个元素，存储在栈上。
10. *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。
11. *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。

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;
}

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。

• 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

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。