C&C++内存管理

一.回顾C语言动态内存管理方式

在C语言的时候我们就学习了几个动态内存管理的函数，像malloc函数，calloc函数和realloc函数，都是动态申请内存空间，这是我以前写的关于动态内存管理的文章：动态内存管理。

二.C&C++内存分布

先来复习一下，看看下面的一段代码和回答相关问题：

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);
}

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？____

答：CCAAA

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：AAADAB

注意：答案是空格从左往右，从上往下填的。

管理：

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。

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

三.C++的内存管理方式new和delete

我们知道C++是兼容C的，所以说C语言里面的内存管理方式在C++自然是可以使用的，但在有些地方是无能为力的，于是C++就有了自己的内存管理方式new和delete。

C语言的内存管理：

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));

C语言动态申请空间是不是很麻烦，还需要强转类型和计算大小，C++的new就完美解决了该情况。

1.new和delete操作内置类型

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	//申请并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);

	//申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];

	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete [] ptr3;

	return 0;
}

注意：new后面是（）的，是初始化的意思，而后面是[]，是多少个意思。

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[]。

注意：匹配起来使用。

对于申请的数组空间我们也可以初始化，使用{}即可。

int* ptr4 = new int[4] {1, 2};//后面没写的自动初始化为0

在C语言中，free掉指针后，我们需要手动的将该指针赋值为NULL，而C++中delete指针后，一样为了安全起见，我们还是可以手动的把该指针置空为nullptr。

2.new和delete操作自定义类型

对于内置类型来说，除了new的代码比malloc那些更简洁一些，好像new和delete也没啥优点了，但是真的是这样的吗？

我们接着来看。

就new和malloc来说：

对于自定义类型来说，你可以使用malloc来开辟空间吗？当然可以。

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));
	return 0;
}

运行一下呢，发现malloc啥也没干，我们知道析构函数是可以显示调用，但是构造函数是不能显示调用的，那在我们申请出A类的空间时，如何调用A类的构造函数呢？mallc似乎是办不到，那我们继续看看new。

A* p2 = new A;

运行结果：

是不是很神奇，new一个自定义类型时，会调用该自定义类型的构造函数，如果我们使用A* p2 = new A(1)，那么构造函数的形参使用的就是我们传的这个实参，否则就使用默认的缺省参数。

那我们是不是就可以猜想，那么delete该类，会不会调用它的析构函数呢？验证一下：

还真是，我们使用new和delete申请和释放自定义类型空间时，会调用它的构造函数和析构函数。

注意：我们对于new和delete一定要匹配使用，比如：

int* p1 = new int;
int* p2 = new int[10];

delete p1;
delete[] p2;

不要搞幺蛾子，反正匹配使用开辟和释放空间准没错！！！

四.operator 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。

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);
}

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(A));//malloc

int* p2 = (int*)operator new(sizeof(A));//operator

乍一看确实operator new和malloc没啥区别,同样需要强转和计算大小。

实际上operator new是将malloc封装了起来，那为什么不直接使用malloc函数呢？这是因为malloc申请空间失败了，返回的是空指针，但是new空间失败了，它会出错抛异常，在面向对象的语言中，基本上都会使用抛异常来处理申请空间错误。我们可以使用try–catch来捕获异常。

operator delete：自然是封装了free实现的。

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;
}

在C++中我们使用try catch来捕获异常：

int main()
{
	try
	{
		char* p1 = new char[0x7fffffff];//大概就是2GB
	}
	catch(const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

运行结果：

这里申请2GB空间失败，try捕获异常，catch得到异常，如果有异常了，new后面的代码就不会运行了，而是直接跳转到catch里面。

五.new和delete的实现原理

对于内置类型来说：

new和malloc，delete和free是大差不差的，但是不同的地方是：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，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

然而对于自定义类型来说：

• 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。

拿栈来举个例子，图示如下：

当然delete关键字和new的调用顺序是相反的。

• delete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。