【C++初阶】一文讲通C++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

#include<iostream>
using namespace std;

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);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

选择题:
选项：A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalvar 在哪里?
staticGlobalvar 在哪里?
staticvar 在哪里?
localVar 在哪里?
num1 在哪里?
char2 在哪里?
*char2在哪里?
pchar3 在哪里?
*pchar3 在哪里?
ptr1 在哪里?
*ptr1 在哪里?

补充：

1. 栈又叫堆栈，存放非静态局部变量/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,

globalvar 是全局变量，存放在静态区。
staticGlobalvar 是全局静态变量，存放于静态区。
staticvar是局部变量，存放于栈区。
localVar是局部变量，存放于栈区。
num1 是局部指针变量，存放于栈区。
char2 是局部指针变量，存放于栈区。
*char2是局部变量，存放于栈区。
pchar3 是局部指针变量，存放于栈区。
*pchar3 是常量字符串，存放于常量区。（对这个有疑问可以看C指针进阶篇第一章）
ptr1 是局部指针变量，存放于栈区。
*ptr1是动态开辟的内存，存放于堆区。

顺便解释一下为什么全局变量globalvar可以被存放于静态区，静态区的变量不能被修改指的是这些变量的生命周期和存储位置是固定的，而不是指它们的值不能改变，而全局变量满足它的要求。

2. C语言中动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc/free

这是C语言提供的动态内存管理函数，如果你对它们还不是很了解，不妨看一看C语言动态内存管理，因为C++的动态内存管理关键字基本都是对它们的封装，了解它们能更好地理解C++的动态内存管理的原理。

3. C++内存管理方式

尽管C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但它们在有些地方会无能为力，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。

因为有new这个操作符，所以C++不能给变量命名为new。

3. 1 new/delete操作内置类型

new 用于申请空间，delete 用于释放空间。
并且C++实际上有两套操作符，分别是：

new delete
new[] delete[]

上面那一组用于动态管理单个变量的内存，而下面那一组用于动态管理连续的空间。

用法举例：

#include<iostream>
using namespace std;

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];
	// 动态申请10个int类型的空间，并进行不完全初始化，同理可以进行完全初始化
	int* ptr4 = new int[10] {1};

	cout << "*ptr2：" << *ptr2 << endl;
	cout << "ptr4：";
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		cout << ptr4[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

输出：

注：new和delete是操作符，本身不需要头文件，也不在std命名空间中。

3. 2 new和delete操作自定义类型

new和delete处理内置类型除了能直接初始化之外似乎并没有什么太大的方便，但在自定义类型这里就不一样了。
new和delete（包括new[]和delete[]）在创建变量时会调用构造函数，销毁时会调用析构函数，我们举个例子。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A()
		:_arr(new int[5])
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
		delete[] _arr;
	}
private:
	int* _arr;
};

int main()
{
	A a1;
	A* a2 = new A;
	delete a2;
	return 0;
}

输出：
可以构造函数和析构函数都被调用了两次，一次是a1，另一次是a2指向的那个对象，都进行了构造和析构。

但是如果a2是使用malloc和free创建销毁的就需要手动调用构造函数和析构函数。

4. new与delete的原理

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，而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。

4. 1 operator new与operator delete函数

1. 我们先从operator new和operator delete的底层说起，它们两个实际上是对malloc和free的一种封装。
2. 当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，尝试执行空间不足的应对措施，如果设置了应对措施，就实行措施并继续尝试申请，否则抛异常。
3. 而operator delete也是通过free来释放空间的，是对free的封装。
4. 另外它们也有operator new[]和operator delete[]的形式，与new和delete是对应的。
5. operator new 和 operator delete 用于单个对象的内存管理。operator new[] 和 operator delete[] 用于数组的内存管理。虽然它们的内部实现可能类似，但它们是针对不同用例设计的，操作的对象范围不同。

它们可以这样使用，和malloc和free的操作是一样的。

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* a = (int*)operator new[](sizeof(int) * 4);
	operator delete[](a);
	return 0;
}

4. 2 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，只不过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malloc和free都可以。而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

4. 3 自定义类型

new的原理

1. 调用operator new函数申请空间并强制类型转换
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[]中完成N个对象空间的申请，并强制类型转换
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

5. 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
initializer-list写出来就是{a,b,...}，和数组初始化是一样的，关于这个东西我们会在STL部分中介绍

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。

#include<iostream>
using namespace std;

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，此处还需要传参（后面加括号就可以）
	p1->~A();	// 显式调用析构函数
	free(p1);	// 释放p1
	
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();	
	operator delete(p2);
	return 0;
}

上面的代码中顺便展示了使用了malloc，free和operator new和operator delete 两个版本，需要注意的是，如果内存是malloc出来的，就要使用free去释放，operator new出来的就使用operator delete去释放，不要混用，更不能和new,delete混用。

6. 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. maloc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，直接指定对象个数即可。
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（底层中自动强转了）。
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。

有了new/delete和new[]/delete[]，就可以抛弃C语言的动态内存管理的方式了。

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