【C++笔记】内存管理

前言

各位读者朋友们大家好，上期我们讲了类和对象下的内容，类和对象整体的内容我们就讲完了，接下来我们开启新的部分内存管理的讲解。

一. C/C++内存分布

C/C++的内存分为堆区、栈区、静态区和常量区，我们先来看下面的一段代码和相关问题：

二. C语言中内存管理的方式

malloc/calloc/relloc的区别：

• malloc是用来在堆区开辟指定字节的函数，返回的是void * 类型的指针。
  
• calloc函数是用来开辟指定字节空间的函数，并且把开辟的空间的值赋值为0，返回值也是void * 类型的指针。
  
• realloc函数是用来扩容的函数，第一个形参是要扩容的初始位置的指针，第二个参数是扩容后的空间大小，特别的如果第一个参数传的是空指针，那么realloc函数的功能等同于malloc函数的功能。如果原地扩容成功就返回传过去的指针，如果没有成功就会异地扩容，将原来的数据拷贝到新的位置，再将原位置的空间释放后返回新空间的地址。
  
  
  这里不需要释放p2,因为p3是在p2的基础上扩容的，如果原地扩容成功，p2和p3指向的空间是同一块，所以只需要释放p3即可；如果异地扩容，realloc函数就已经帮我们将p2释放了。

三. C++内存管理方式

C语言的内存管理方式在C++中可以继续使用，但是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操作符进行内存管理。

• new 运算符用于在堆（heap）上动态分配内存并初始化对象。它返回指向分配的内存块的指针。
• delete 运算符用于释放先前使用 new 运算符分配的内存。

3.1 new/delete操作内置类型

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[],一定要搭配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

这样就很方便了，之前我们写链表要去申请节点，现在我们可以这样写：

struct ListNode
{
	int val;
	ListNode* next;

	ListNode(int x)
		:val(x)
		, next(nullptr)
	{}
};

int main()
{
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);
	ListNode* n5 = new ListNode(5);
	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;
	n4->next = n5;
	return 0;
}

这样就写好了一个链表。

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和free不会调用。

四. operator new和operator delete函数

4.1 operate new和 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。在c++中new是operator new 加构造函数，delete是operator delete加析构函数


通过上述两个全局函数的实现知道，operator new实际上也是通过malloc来申请空间。如果malloc申请成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该应对措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete最终通过free释放空间。

五. new和delete的实现原理

5.1 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[]申请和释放的是连续的空间，而且new在申请失败时会抛异常，malloc失败会返回NULL。

5.2 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，完成对象中的资源清理工作
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函数完成对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
new T[N]可以理解为执行N次new
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个对象中的资源清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
实际上就是执行N次delete

5.3 使用不匹配

• 内置类型new和free混用
  
  这里不会报错，因为内置类型调用delete时不需要调用析构函数，只调用了_free_dbg也就是free,因此也不会有内存的泄露。但是不建议这样使用。
• 自定义类型new和delete混用
  
  这里调用free相比调用delete来说少调用了析构函数，如果A的析构函数有对内存的释放就会存在内存泄露的风险。
• 内置类型new和delete[] 混用
  
  这里不会有内存泄露的风险，因为new 底层调用的malloc，delete底层调用的free。
• 自定义类型new[]和delete混用
  
  B类中不存在内存的申请和释放，所以不会内存泄漏。
  但是下面这种情况程序会崩：
  
  这是为什么？

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

class B
{
private:
	int _b1 = 520;
	int _b2 = 1314;
};

这里A和B的大小都是8个字节
我们还是从汇编来看：
对于B,编译器给了80个空间

而同样大小，相同个数的A却开了84字节的空间


编译器在给A开空间时多开了4个字节用来存储A的元素个数，而返回的地址却没用从多开的4个字节开始返回，而是往后偏移了4个字节，所以会崩。严格来说两者都应该多开4个字节存元素个数，B没有开是因为编译器优化了，因为编译器看到B没有写析构函数而且没有内存的申请和释放，元素个数是给delete[]用的，当使用delete[]时，指针向前偏移四个字节取到元素个数（释放还是在原位置释放），让编译器知道调几次析构函数。B编译器优化到底，不调用析构函数，所以就不存个数。
如果给B写了析构函数，编译器也会开84个字节的空间：

六. 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
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

上图调用operator new只开了空间并没有初始化，


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的定义表达式对其进行显示调用构造函数进行初始化。

七. malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同特点是：都是在堆上申请空间，都需要用户去手动释放。
不同在：

• 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申请对象时，需要自己计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间类型即可，如果是多个对象，[]中指定个数即可。
• 4.malloc的返回值是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，所以使用的时候必须判空，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只会开辟和释放空间，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.

结语

以上我们就讲完了C++的内存管理，这里还有一些东西没有讲解，需要后续在讲解。感谢大家的阅读，欢迎大家批评指正！