C/C++中的内存管理

前言

在C/C++中，内存管理是程序开发过程中非常重要的一部分。C语言中没有提供内置的垃圾回收机制，而C++语言则提供了一些内存管理的工具，如析构函数和智能指针。

C语言中，程序员需要手动分配和释放内存。常用的内存管理函数有malloc、calloc和realloc，用于动态分配内存空间。同时，程序员还需要使用free函数手动释放已经分配的内存。

C++语言中，可以使用new和delete关键字来动态分配和释放内存。new关键字用于分配内存，并调用对象的构造函数，而delete关键字用于释放内存，并调用对象的析构函数。

为了方便管理内存，C++还提供了智能指针。智能指针是一种自动管理内存的指针，可以自动调用delete关键字来释放内存。常用的智能指针有std::shared_ptr和std::unique_ptr。std::shared_ptr是一种共享指针，可以共享同一块内存，而std::unique_ptr是一种独占指针，不可复制和共享。

除了手动管理内存外，C++还提供了一些内存管理工具，如RAII(Resource Acquisition Is Initialization)技术和内存池。RAII是一种资源获取即初始化的技术，通过使用对象的构造函数和析构函数来管理资源，确保资源在使用完后能够被正确释放。内存池是一种预先分配一块固定大小的内存空间，然后在程序中使用这块内存空间来分配和释放内存，避免了频繁的动态分配和释放内存的开销。

一、C/C++中的内存分布

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

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

在C语言中，动态内存管理主要通过以下几个函数来实现：

1. malloc：用于分配指定大小的内存空间。它接受一个参数，即要分配的内存大小（以字节为单位），返回一个指向这块内存的指针。如果分配失败，则返回NULL。

2. calloc：与malloc类似，也是用于分配内存空间。不同的是，calloc会在分配内存时将其内容初始化为0。它接受两个参数，即要分配的内存块数和每个内存块的大小，返回一个指向这块内存的指针。如果分配失败，则返回NULL。

3. realloc：用于改变已分配内存的大小。它接受两个参数，即指向已分配内存的指针和要改变的内存大小（以字节为单位）。如果内存重新分配成功，则返回一个指向重新分配后内存的指针；如果内存重新分配失败，则返回NULL。需要注意的是，如果要增加内存大小，realloc可能会返回一个新的地址；如果要减小内存大小，realloc可能会原地修改。

4. free：用于释放已分配的内存空间。它接受一个参数，即要释放的内存空间的指针。调用free后，被释放的内存空间可以被重新分配或回收。需要注意的是，free只能释放通过malloc、calloc或realloc分配的内存空间，否则会导致未定义的行为。

这些函数能够有效地管理程序运行时的内存，使得程序可以根据需要动态地分配和释放内存空间，提高内存利用率和程序的灵活性。但需要注意的是，使用动态内存管理时需要合理地分配和释放内存，避免内存泄漏和野指针等问题。

三、C++中的内存管理方式

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. new/delete操作内置类型

void Test()
{
  // 动态申请一个int类型的空间
  int* ptr4 = new int;
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr5 = new int(10);
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[3];
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

注意： 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[]，注意：匹配起来使用。

2. new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:

int _a;
};
int main()
{
// 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
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
return 0;
}

注意：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。

四、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

/*
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)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

五、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

1. 调用 operator new 函数申请空间

2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作

2. 调用 operator delete 函数释放对象的空间

new T[N]的原理

1. 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

2. 在申请的空间上执行 N 次构造函数

delete[]的原理

1. 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

2. 调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释

放空间

六、定位new表达式(placement-new)

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;
}

七、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：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符

2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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 空间中资源的清理释放

总结

总的来说，在C/C++中，程序员需要手动管理内存的分配和释放。为了方便管理内存，C++提供了一些工具，如析构函数、智能指针、RAII和内存池。这些工具可以帮助程序员更好地管理内存，避免内存泄漏和野指针等问题。