C/C++之内存旋律：星辰大海的指挥家
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一、C/C++内存分布
我们先来了解一下C/C++内存分配的几个区域，以下面的代码为例来看：
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);
}1.1 内存划分
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？C
- staticGlobalVar在哪里？C
- staticVar在哪里？C
- localVar在哪里？A
- num1 在哪里？A
char2在哪里？A
- 字符串在常量区，char2会栈上开辟一个数组，然后将常量区的字符串拷贝过到栈上，所以char2是栈上的指针变量，上题的num1是直接在栈上开辟的。
*char2在哪里？A
- char指向栈上开辟的数组的指针，*char解引用表示栈上开辟空间的内容
pChar3在哪里？A
- const修饰的是代表常变量，不代表就在常量区，pChar3是栈上的一个指针变量，指向了常量区的字符串
*pChar3在哪里？D
- pChar3指向了常量区的字符串，解引用就是常量区的字符串
ptr1在哪里？A
- 也是栈上的一块指针变量
*ptr1在哪里？B
- ptr1指向开辟在堆上的空间，解引用表示堆空间的内容
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共享内存，做进程间通信。(未学到linux仅作了解即可)
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。
2.1 sizeof 和 strlen 区别
在C/C++中：
sizeof：这是一个运算符，编译时确定，用于计算变量或类型的大小（以字节为单位），包括数组、指针、结构体等。对于字符数组或字符串，它返回整个数组（包括结束符 \0）的总字节数。
strlen：这是一个库函数，运行时确定，用于计算以 \0 结尾的字符串的实际字符数，不包括结束符 \0。因此，对于包含字符串的字符数组，strlen 返回的是字符串的有效字符数量。
总结：
sizeof 计算内存容量。
strlen 计算字符串长度。
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);
}
- sizeof(num1) = 40;
- sizeof(char2) = 5;
- strlen(char2) = 4;
- sizeof(pChar3) = 4/8;
- strlen(pChar3) = 4;
- sizeof(ptr1) = 4/8;
二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
// 这里需要free(p2)吗？
//free(p2);
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
free(p3);
}- 为什么不需要free(p2)?
因为p2申请了四个字节的空间，此基础上，如果free掉p2,那么p3申请空间的时候，p2指向那块空间已经属于操作系统了，这时候再操作就引发野指针异常
- malloc/calloc/realloc的区别？
malloc:
- 功能：动态分配指定字节数的内存。
- 特点：不会初始化分配的内存，内容随机。
- 语法：void* malloc(size_t size);
- 示例：int *p = (int*)malloc(sizeof(int)*n); 分配n个整数大小的连续内存空间。
calloc:
- 功能：动态分配指定数量、特定类型的内存空间，并初始化为0。
- 特点：不仅分配内存，还会清零初始化。
- 语法：void* calloc(size_t num, size_t size);
- 示例：int *p = (int*)calloc(n, sizeof(int)); 分配并初始化n个int大小的连续内存空间为0。
realloc:
- 功能：调整已分配内存块的大小，可以扩大或缩小。
- 特点：如果扩大内存，新增空间内容不确定；如果缩小内存，多余部分会被释放，缩小后的内存区域保持不变。
- 语法：void* realloc(void* ptr, size_t new_size);
- 示例：int *new_p = (int*)realloc(p, sizeof(int)*m); 尝试更改指针p指向的内存区域大小为m个整数所需空间，返回新的内存地址，有可能与原地址相同也可能不同。
总的来说：
malloc 用于单纯分配未初始化的内存。
calloc 用于分配并初始化为零的内存。
realloc 用于调整已分配内存区域的大小，提供了一种灵活的内存管理手段。
三、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。
3.1 new/delete操作内置类型
-
malloc和new对于内置类型都只会申请空间但不会初始化 ,因为 new没有调构造函数
-
同样对于delete和free来说，对于内置类型都只会释放对象的空间， delete不会调用析构函数
int main()
{
// 管理对象
// 动态开辟一个int类型的空间
int* p1 = new int;
// 动态开辟一个int类型的空间，并初始化为1
int* p2 = new int(1);
//管理对象数组
// 动态开辟一个int类型的数组
int* p3 = new int[10];
// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
int* p4 = new int[10]{};// 不写初始化值，默认初始化为 0
// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
int* p5 = new int[10]{ 1,2,3 };// 前三个分别初始化为1 2 3，后面默认初始化为 0
//释放开辟的内存
delete p1;
delete p2;
delete[] p3;// 对应释放数组加[]
delete[] p4;
delete[] p5;
return 0;
}
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[].
3.2 new和delete操作自定义类型
new/delete 和 malloc/free 最大区别是：
- new/delete 对于【自定义类型】除了 开空间 /释放空间 ，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()
{
// 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;
}
小结：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、new和delete的实现原理
new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，（new先开辟空间，再调用构造函数，delete先调用析构函数，再释放空间）。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
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 new对malloc 的封装，失败抛异常实现new
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本质是一个宏，也是调用_free_dbg这个函数，举例如下：
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
总结：
operator new是对malloc进行封装，operator delete是对free进行封装（类似对比：引用的底层原理也是指针实现的）。
4.2 new和delete原理总结
3.2.1 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
- new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
3.2.2 自定义类型
- new的原理
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
- delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
- new T[N]的原理
- 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
- 在申请的空间上执行N次构造函数
- delete[]的原理
- 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
- 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
四、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
// 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;
}
定位new是使用在一种特殊场景——内存池。
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式调构造函数进行初始化。
五、malloc/free和new/delete的区别
共同点：
- 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
不同点：
- 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。
旨在为数千万中国开发者提供一个无缝且高效的云端环境，以支持学习、使用和贡献开源项目。
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