C++初阶——动态内存管理
目录
1、C/C++内存区域划分
2、C动态内存管理：malloc/calloc/realloc/free
3、C++动态内存管理：new/delete
3.1 new/delete内置类型
3.2 new/delete自定义类型
4、operator new与operator delete函数
5、new和delete的实现原理
5.1 内置类型
5.2 自定义类型
6、定位new表达式(placement-new) （了解）
7、malloc/free和new/delete的区别
1、C/C++内存区域划分
【说明】
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 创建共享内存，做进程间通信。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
4. 数据段(静态区)--存储全局数据和静态数据。
5. 代码段(常量区)--可执行的代码/只读常量。
下面做一道题：
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. 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？____
答案：
CCCAA AAADAB
char2非静态局部变量在栈区
char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上
pChar3非静态局部变量在栈区 *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段
2、C动态内存管理：malloc/calloc/realloc/free
malloc，calloc，realloc，是向堆区申请空间的，
void* malloc (size_t size);malloc：申请成功，返回为类型为void*的指针，不会初始化，申请失败，返回NULL
void* calloc (size_t num, size_t size);calloc：申请成功，返回为类型为void*的指针，空间的每个字节初始化为0，申请失败，返回NULL
calloc = malloc + 初始化为0 (memset(void * ptr, 0, size_t num ))
void* realloc (void* ptr, size_t size);注意：size = 原来的空间大小 + 一段未使用的空间大小
realloc：对动态开辟内存大小进行调整，一般用于扩容
扩容存在两种情况：
◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间
◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
情况1:
原有空间之后有足够大的空间，
要扩展内存就在原有空间之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
情况2:
原有空间之后没有足够大的空间
在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，并把原来的数据 拷贝过去，然后free原来的空间返回一个新的 内存地址。
realloc(NULL,size) = malloc(size)
void free (void* ptr);free，是释放向堆区申请的空间
注意：向堆区申请的空间只能释放一次，一般释放完置为NULL，NULL多次释放没有关系
3、C++动态内存管理：new/delete
C动态内存管理方式在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++通过new和delete操作符进行动态内存管理。
3.1 new/delete内置类型
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类型的空间并初始化为0
int* ptr4 = new int[10] {0};
// 动态申请10个int类型的空间
// 前5个初始化为1,2,3,4,5，后5个初始化为0
int* ptr5 = new int[10]{1,2,3,4,5};
delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;
delete[] ptr4;
delete[] ptr5;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
3.2 new/delete自定义类型
#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 = 1;
};
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：
1、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
2、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[]，匹配使用，不然坑的死死的，
如：了解一下，A为8字节大小
前面开4个字节大小的空间，是为了存放需要调用析构函数的次数，
（对于没有必要调用的析构函数，编译器可能会进行优化，不开这个空间）A的析构函数必须被调用，因为有打印字符串，
delete p3，是释放80字节大小的空间，因为不能从中间位置释放空间，所以报错（内存泄漏不报错）
4、operator new与operator delete函数
operator new 和 operator delete是 系统提供的全局函数，
注意：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。
/*
operator new：该函数通过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，如果该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)5、new和delete的实现原理
5.1 内置类型
new和malloc，delete和free基本类似，
不同： new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]/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。
5.2 自定义类型
new的原理
1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上调用构造函数，完成对象的初始化
delete的原理
1. 在释放的对象空间上调用析构函数，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. 在申请的空间上调用N次构造函数，完成对N个对象的初始化
delete[N]的原理
1. 在释放的对象空间上调用N次析构函数，完成N个对象中资源的清理工作
2. 调用operator delete[]释放空间，在operator delete[]中实际调用operator delete来释放空间
6、定位new表达式(placement-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。
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的定位表达式进行显示调用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，因为没有调用构造函数
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(); // 析构可以直接显示调用，显示调用构造函数要通过定位new表达式
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}7、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：
1. malloc/free是函数，new/delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new会初始化
3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小 ，
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需要捕获异常
6. 申请自定义类型对象的空间时，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