内存管理

1、C++内存分布

C++程序中有四个区域

区域	存储内容	生命周期
栈	局部变量、函数参数、数组、指针变量本身	函数调用时分配，函数结束自动释放
堆	malloc/calloc/realloc 分配的内存	手动分配、手动释放，程序结束前一直存在
数据段（静态区）	全局变量、静态变量	整个程序运行期间
代码段（常量区）	程序代码、字符串常量	整个程序运行期间

注意：char ch2[]=”abcd” ”abcd” 是常量字符串，储存在代码段，但char2是局部字符数组，数组在栈上，他会把这个常量字符串拷贝一份，存储在栈区，因此char2（数组名）和*char（数组元素）都在栈

*const不会改变变量的储存区域，pChar3是一个字符指针变量，存储在栈区，pChar3是字符串常量“abcd”，存储在常量区

只要是在局部创建的变量，只要前面没有加static修饰，那么这个变量一定是储存在栈里

2、C++内存管理方式

2.1new和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);  //类型后面是()
  
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[10];  //类型后面是[]
 // 动态申请10个int类型的空间，并初始化前三个为1,2,3
 	int* ptr7 = new int[10]{ 1, 2, 3 };  //初始化[]加{初始化数据}

  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
  delete[] ptr7;
}

注意：动态申请并初始化，类型后面是()，动态申请多个连续空间，类型后面是**[]，如果对多个连续的空间初始化，可以在[]后面加{}**，里面是初始化的数据，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[]

2.2new和delete操作自定义类型

C语言中动态申请一块空间

SLTNode* SLTBuyNode(SLTDataType x) {
    SLTNode* newnode = (SLTNode*)malloc(sizeof(SLTNode));
    //内存不够  报错退出
    if (newnode == NULL) {
        perror("malloc error");
        exit(1);
    }
    newnode->data = x;
    newnode->next = NULL;
    return newnode;
}

在C语言中，动态申请一块内存需要单独的函数，函数里面有空间申请，检查合理性，初始化等，然后用这个函数实现动态内存申请

C++中申请空间

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//动态申请一块空间
	A* p2 = new A(1);
	delete p2;
	
	int* p4 = new int;
	delete p4;
	//通过new动态申请10个连续空间
	A* p6 = new A[10];
	delete[] p6;
	return 0;
}

A():0x600002f4c000
p2的地址值: 0x600002f4c000
~A():0x600002f4c000

p4的地址值: 0x600002f4c010
A():0x600002f4c020
A():0x600002f4c024
…（共10次A()构造）

p6的地址值: 0x600002f4c020
~A():0x600002f4c044
~A():0x600002f4c040
…（共10次~A()析构，逆序）

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

如果自定义类型没有默认构造函数，则在new时需要进行人为的初始化

3、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

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)

operator实际上是通过malloc申请空间，最终通过free释放空间，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

4、new和delete的实现原理

4.1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：

1. 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
2. new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL

4.2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

5、定位new表达式

5.1概念

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

5.2使用格式

• new (place_address) type
• new (place_address) type(initializer-list)

其中place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

5.3示例

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

A类：

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

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A(10);  //定位new表达式
	p1->~A();
	free(p1);
	p1 = nullptr;
	return 0;
}

6、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

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

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