【C++】5. 内存管理

一、C/C++内存分布

1. 栈又叫堆栈：包括非静态局部变量、函数参数、返回值等等，栈向下增长。
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：动态内存分配，堆向上增长。
4. 数据段：全局数据、静态数据。
5. 代码段：可执行的代码、只读常量。

观察下列变量在内存中的存储位置：

特别要注意的是，char2、pChar3、ptr三者在函数体内都属于局部变量，因此都存储于栈。而char是局部数组，是将常量区的字符串拷贝到栈上，因此*char（数组首元素）依旧指向栈；pChar3是指针，指向的内容是常量字符串，因此*pChar3指向常量区；同理ptr也是指针，指向的内容是动态内存开辟的，因此*ptr指向堆。

二、C语言内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

【面试题】

1. malloc/calloc/realloc的区别？

在C语言专栏中讲解过，链接如下：动态内存管理。

2. malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理

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。

1、new/delete操作内置类型

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： 要匹配使用。

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{int* p1 = new int;//动态申请1个int类型的空间int* p2 = new int[10];//动态申请10个int类型的空间int* p3 = new int(0);//申请1个空间，并初始化为0int* p4 = new int[10] {0};//申请10个空间，并初始化为0int* p5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};//申请10个空间，前5个初始化为12345delete p1;delete[] p2;delete p3;delete[] p4;delete[] p5;return 0;
}

调试观察：

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还会调用构造函数和析构函数。

链表的创建：

#include<iostream>
using namespace std;struct ListNode
{int val;ListNode* next;ListNode(int x)//构造函数: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);n1->next = n2;n2->next = n3;n3->next = n4;delete n1;delete n2;delete n3;delete n4;return 0;
}

调试观察：

成功实现了链表的创建。

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl;}A(const A& aa):_a1(aa._a1){cout << "A(const A& aa)" << endl;}A& operator=(const A& aa){cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;if (this != &aa){_a1 = aa._a1;}return *this;}~A(){cout << "~A()" << endl;}void Print(){cout << "A::Print->" << _a1 << endl;}private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};int main()
{A* p1 = new A(1);A* p2 = new A(2, 2);A aa1(1, 1);//类的实例化A aa2(2, 2);A aa3(3, 3);A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) };//临时对象A* p5 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };//隐式类型转换：A aa1={1,1}delete p1;delete p2;delete[] p3;delete[] p4;delete[] p5;return 0;
}

调试观察：

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。

四、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。

//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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}//free的实现
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

我们来看一个例子：

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a1):_a1(a1){ cout << "A(int a1)" << endl;}A(const A& aa):_a1(aa._a1){cout << "A(const A& aa)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a1 = 1;
};int main()
{A* p1 = new A(1);delete p1;return 0;
}

通过调试查看反汇编：

发现的确是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。

五、new和delete的实现原理

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在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

抛异常举例如下：

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{try{void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << p1 << endl;void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << p2 << endl;void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << p3 << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

x86环境下运行结果：

实际上在32位的条件下，堆的虚拟内存只有1.8G左右，因此p1动态内存开辟一个G后，p2就不足以再开辟内存了。

我们可以写个小程序测试一下堆的虚拟内存到底能开辟多少G内存

#include<iostream>
using namespace std;void func()
{int n = 1;while (1){void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << p1 << "->" << n << endl;++n;}
}int main()
{try{func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

在（x86）32位下：

最多能开辟1个G。

在（x64）64位下：

最多能开辟307个G。

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函数来释放空间。

六、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。

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的定义表达式进行显示调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():" << endl;}~A(){cout << "~A():" << endl;}private:int _a;
};int main()
{A* p1 = new A(1);delete p1;A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));//只开辟了空间new(p2)A(1);//显示调用构造函数初始化p2->~A();//显示调用析构函数清理资源operator delete(p2);//只释放了空间return 0;
}

七、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。

不同的地方是：

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。