C++从入门到精通——C++动态内存管理

C++动态内存管理

前言
一、C/C++内存分布
- 分类1
- 分类2
- 题目
- - 选择题
  - sizeof 和 strlen 区别
  - 示例
  - - sizeof
    - strlen
二、C语言中动态内存管理方式malloc/calloc/realloc/free
- 示例
- 例题
- - malloc/calloc/realloc的区别
  - malloc的实现原理
三、C++内存管理方式
- new/delete操作内置类型
- new和delete操作自定义类型
四、operator new与operator delete函数
- operator new与operator delete函数
- operator new和new区别
- operator delete和delete区别
- new注意事项
- new可以和free配对吗
- 示例
- - new开辟自定义类型空间，为什么会比开辟内置类型多几个字节
  - 图片展示
- malloc会出现自定义类型多开几个字节吗

前言

C++动态内存管理涉及使用new和delete操作符来动态分配和释放堆内存。new用于在堆上分配内存并初始化对象，delete用于释放先前分配的内存。此外，C++还提供了智能指针如std::unique_ptr和std::shared_ptr来自动管理内存，以避免内存泄漏和悬挂指针。这些智能指针在超出作用域时会自动删除其所指向的对象。

一、C/C++内存分布

C/C++内存分布不同的人会有不同的分布，这里列举两条常见的，本文主要基于分类2

分类1

在C/C++中，内存可以被分为几个不同的部分：

栈（Stack）：栈是由编译器自动分配和释放的，用于存储局部变量、函数参数、返回地址等。当函数被调用时，其参数和局部变量会被压入栈中，当函数返回时，栈会被恢复到调用函数之前的状态。
堆（Heap）：堆是由程序员手动分配和释放的，用于存储动态分配的内存。在C中，使用malloc()或calloc()函数分配内存，在C++中，使用new关键字分配内存。当不再需要分配的内存时，必须手动使用free()（C）或delete（C++）释放内存，否则会导致内存泄漏。
全局变量和静态变量（数据段）：全局变量和静态变量存储在静态存储区，这一区域在程序运行期间一直存在，直到程序结束。全局变量具有全局作用域，可以在程序的任何地方访问，而静态变量具有局部作用域，但其值在函数调用之间保持不变。
常量区：常量区存储常量数据，如字符串常量。这部分内存在程序运行期间一直存在，直到程序结束。
代码区：代码区存储程序的指令。这部分内存在程序运行期间一直存在，直到程序结束。

需要注意的是，不同的操作系统和编译器可能有不同的内存分布方式，以上描述是一种常见情况。另外，还有一些其他的内存区域，如动态链接库的加载区、线程栈等，它们也可能存在于程序的内存分布中。

分类2

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);
}

在这里插入图片描述

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。
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。
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段–存储全局数据和静态数据。
代码段–可执行的代码/只读常量。

题目

 1.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？____
2. 填空题：
	sizeof(num1) = ____;
	sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
	sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
	sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？

选择题

在这里插入图片描述

sizeof 和 strlen 区别

C语言从入门到实战——数组和指针的强化练习题可看这篇文章强化一下

sizeof是一个运算符，用于获取一个变量或类型的字节大小。它可以用于任何类型的变量，包括基本数据类型和自定义数据类型。sizeof可以在编译时计算，因此不需要实际运行程序。

strlen是一个函数，用于获取一个字符数组的长度，即字符的个数。它只能用于以null字符('\0')结尾的字符串。strlen在运行时计算字符个数，所以需要遍历整个字符数组来计算长度。

所以，sizeof用于获取变量或类型的字节大小，而strlen用于获取以null字符结尾的字符串的字符个数。

示例

sizeof

int a[] = { 1,2,3,4 };//a数组有4个元素，每个元素是int类型的数据

printf("%zd\n", sizeof(a));//16 - sizeof(数组名)的情况，计算的是整个数组的大小，单位是字节 - 16
printf("%zd\n", sizeof(a + 0));//a表示的就是数组首元素的地址,a+0还是首元素的地址 - 4/8
//int*
printf("%zd\n", sizeof(*a));//a表示的就是数组首元素的地址,*a 就是首元素，大小就是4个字节
printf("%zd\n", sizeof(a + 1));//a表示的就是数组首元素的地址，a+1就是第二个元素的地址，这里的计算的是第二个元素的地址的大小-4/8

printf("%zd\n", sizeof(a[1]));//a[1]是数组的第二个元素，大小是4个字节
printf("%zd\n", sizeof(&a));//&a - 取出的是数组的地址，但是数组的地址也是地址，是地址，大小就是4/8个字节

strlen

char arr[] = "abcdef";
printf("%zd\n", sizeof(arr));
printf("%zd\n", sizeof(arr + 0));//arr+0是数组首元素的地址，地址的大小是4/8个字节
printf("%zd\n", sizeof(*arr));//*arr是数组的首元素，这里计算的是首元素的大小 1
printf("%zd\n", sizeof(arr[1]));//1
printf("%zd\n", sizeof(&arr));//&arr - 是数组的地址，数组的地址也是地址，是地址就是4/8个字节
printf("%zd\n", sizeof(&arr + 1));//&arr+1，跳过整个数组，指向了数组的后边，4/8
printf("%zd\n", sizeof(&arr[0] + 1));//&arr[0] + 1是第二个元素的地址 4/8

	char arr[] = { 'a','b','c','d','e','f' };
	printf("%d\n", strlen(arr));//随机值
	printf("%d\n", strlen(arr + 0));//随机值
	//'a'-97
//printf("%d\n", strlen(*arr));//err
//                   //'b'-98
//printf("%d\n", strlen(arr[1]));//err
	printf("%d\n", strlen(&arr));//随机值
	printf("%d\n", strlen(&arr + 1));//随机值
	printf("%d\n", strlen(&arr[0] + 1));//随机值

二、C语言中动态内存管理方式malloc/calloc/realloc/free

C语言从入门到实战——动态内存管理，可以看这篇文章，详细了解一下，本文不做过多介绍。

示例

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？   
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 这里需要free(p2)吗？11    free(p3 );12 }
	free(p3);
}

例题

malloc/calloc/realloc的区别

malloc、calloc、realloc都是用于动态分配内存空间的函数。

malloc函数用于分配指定大小的内存空间，它只分配内存，并不对内存进行初始化。示例：void* malloc(size_t size)。

calloc函数用于分配指定数量和大小的连续内存空间，并将分配的内存空间初始化为0。示例：void* calloc(size_t num, size_t size)。

realloc函数用于重新分配已经分配的内存空间的大小，可以扩大或缩小已经分配的内存空间。示例：void* realloc(void* ptr, size_t size)。

总结：

malloc只分配内存，不进行初始化。
calloc分配内存并初始化为0。
realloc重新分配内存的大小，可以扩大或缩小原来的内存空间。

malloc的实现原理

glibc中malloc实现原理
malloc是一个动态内存分配函数，用于在运行时分配指定大小的内存空间。malloc的实现原理如下：

物理内存管理：操作系统将物理内存划分为多个块，每个块由连续的内存地址组成。当程序运行时，操作系统为其分配一块虚拟内存空间。
内存管理单元：malloc使用内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）来管理物理内存。MMU将虚拟内存空间映射到物理内存空间。
内存分配算法：malloc使用不同的内存分配算法来选择合适的内存块进行分配。常见的算法有首次适应算法（First Fit）、最佳适应算法（Best Fit）和最坏适应算法（Worst Fit）等。
内存块分配：当程序调用malloc函数时，内存管理单元会遍历已分配和未分配的内存块链表，选择一个合适的未分配内存块进行分配。
内存块标记：分配内存块后，内存管理单元会将该内存块标记为已分配状态，并将其从未分配内存块链表中移除。
内存块返回：malloc函数返回已分配内存块的起始地址给程序，程序可以使用该地址来访问分配的内存空间。
内存释放：程序使用完分配的内存后，可以调用free函数来释放内存。free函数将被释放的内存块标记为未分配状态，并将其添加到未分配内存块链表中。
内存合并：当相邻的内存块都处于未分配状态时，内存管理单元会将它们合并成一个更大的未分配内存块，以减少内存碎片的产生。

以上就是malloc的简单实现原理。实际上，malloc的实现可能会更加复杂，考虑到内存对齐、线程安全、内存池等因素。不同的操作系统和编译器也会对malloc进行调优和优化。

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。

new/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);

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];

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

在这里插入图片描述

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[]，注意：匹配起来使用。

new和delete操作自定义类型

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;
}

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

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 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;
}

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。

operator new和new区别

在C++中，new操作符和operator new是两个不同的概念。

new是一个表达式，用于在堆上动态分配对象，并返回对象的指针。它会执行以下操作：

调用operator new分配所需的内存空间。
调用对象的构造函数，在分配的内存空间中创建对象。
返回指向分配对象的指针。

operator new是一个函数，用于在堆上分配内存空间，但是它不会调用对象的构造函数。它只执行以下操作：

分配所需的内存空间。
返回指向分配内存的指针。

所以，可以说new是一个包含了operator new操作的更高级别的操作符。在使用new时，它会自动调用operator new来分配内存，并调用构造函数进行对象的初始化。而直接使用operator new则只分配内存，不会调用构造函数。

在C++中，我们通常使用new来动态分配对象，而不直接使用operator new，因为它提供了更高的抽象级别，并能确保对象的正确初始化。另外，使用new时，还可以使用delete来释放分配的内存，并调用对象的析构函数进行清理。而直接使用operator new分配的内存，则需要使用operator delete来释放内存，没有自动调用析构函数的功能。