C++必修：探索C++的内存管理

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所属专栏：C++学习
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1. C/C++的内存分布

我们首先来看一段代码及其相关问题

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？C staticGlobalVar在哪里？C

解析：globalVar为全局变量放在数据段(静态区)，staticGlobalVar也是全局变量放在数据段(静态区)。两者之间主要区别在：普通全局变量作用于整个代码，可被其他文件访问或修改。而被static修饰的静态全局变量只作用于当前文件，其他文件不可见。

staticVar在哪里？C localVar在哪里？A

解析：被static修饰的局部变量staticVar放在静态区，普通的局部变量localVar放在栈区。两者之间主要区别在：被static修饰的局部变量的生命周期只会在程序结束后结束，而普通的局部变量的生命周期出了当前作用域就会结束。

num1 在哪里？A

解析：num1也是一个局部变量，放在栈区。

char2在哪里？A *char2在哪里？A

解析：char2也是一个局部变量，放在栈区，常量字符串"abcd"放在代码段(常量区)，数组开辟的空间放在栈区。在数组开辟时，常量字符串中字符会被一个一个拷贝进入数组，而数组名是首元素地址，所以*char2得到数组第一个元素，放在栈区。

pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D

解析：char2也是一个局部指针变量，指向一个放在代码段(常量区)的常量字符串"abcd"。所以*pChar3得到常量字符串的第一个字符，放在代码段(常量区)。

ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B

解析：ptr1是一个局部指针变量，放在栈区。而其指向的内存区域是由动态内存开辟的，所以*ptr1放在堆区。

栈区：又叫堆栈，存放非静态局部变量/函数参数/返回值等等，并且栈是向下增长的。
堆区：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，会造成内存泄漏，并且堆是向上增长的
**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。
数据段（静态区）：存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
代码段（常量区）：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码与只读常量。

填空题：

sizeof(num1) = 40;

sizeof(数组名)计算的是整个数组的大小，4×10=40。

sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;

sizeof(数组名)计算的是整个数组的大小，包括'\0'。strlen不包括'\0'。

sizeof(pChar3) = 4/8; strlen(pChar3) = 4;

pChar3是指针变量，在32位平台下是4个字节，在64位平台下为8个字节。

sizeof(ptr1) = 4/8;

ptr1是指针变量，在32位平台下是4个字节，在64位平台下为8个字节。

问答题：

数据结构中的栈与内存管理中的栈有什么联系吗？

两者之间并没有太大联系。在数据结构中栈是一种线性数据结构，它的特点是后进先出（LIFO，Last In First Out）。而在内存管理中，栈是一种用于存储函数调用、局部变量、函数参数以及函数调用上下文等信息的内存区域，但是每次调用函数时，系统都会在栈顶添加一个栈帧，用于记录函数的上下文信息。在递归函数中，向下递推阶段会不断执行“入栈”操作，而向上回溯阶段则会执行“出栈”操作，这一点与数据结构栈的操作非常类似。

数据结构中的堆与内存管理中的堆有什么联系吗？

尽管它们都被称为“堆”，但数据结构中的堆和内存管理中的堆其实是两个完全不同的概念，它们之间并没有直接的联系。在数据结构中，堆是一种特殊的树形数据结构，通常是一个完全二叉树，其中每个节点的值都大于等于（或小于等于）其子节点的值。计算机系统内存中的堆是动态内存分配的一部分，程序在运行时可以使用它来存储数据。程序员可以请求一定量的堆内存，用于存储如对象和数组等复杂结构。当这些数据不再需要时，程序员需要释放这些内存，以防止内存泄露。

2. C语言中的内存管理

2.1.1. malloc

头文件#include <stdlib.h>
声明：void* malloc (size_t size);

size – 内存块的大小，以字节为单位
如果参数 size 为0，malloc的⾏为是标准是未定义的，取决于编译器。

作用：向内存申请⼀块连续可⽤的空间，并返回指向这块空间的指针

如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回⼀个 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。

返回值：返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使⽤的时候使⽤者⾃⼰来决定。

int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));//申请大小为一个整型的空间
if (ptr1 == NULL)//检查是否分配失败
{
	perror("malloc fail:");
	return;
}

2.1.2. calloc

头文件：#include <stdlib.h>
声明：void *calloc(size_t nitems, size_t size)

nitems – 要被分配的元素个数。
size – 元素的大小。

作用：分配所需的内存空间，并返回一个指向它的指针

返回值：该函数返回一个指针，指向已分配的内存。如果请求失败，则返回 NULL。

malloc 和 calloc 之间的不同点是，malloc 不会设置内存为零，而 calloc会初始化分配的内存为零。

	int* ptr2 = (int*)calloc(10,sizeof(int));
	//分配10个大小为整型的空间，并初始化为0
	if (ptr2 == NULL)//检查是否分配失败
	{
		perror("calloc fail:");
		return;
	}

2.1.3. realloc

头文件：#include <stdlib.h>
声明：void *realloc(void *ptr, size_t size)

ptr – 指针指向一个要重新分配内存的内存块，该内存块之前是通过调用 malloc、calloc 或 realloc 进行分配内存的。如果为空指针，则会分配一个新的内存块，且函数返回一个指向它的指针。
size – 内存块的新的大小，以字节为单位。如果大小为 0，且 ptr 指向一个已存在的内存块，则 ptr 所指向的内存块会被释放，并返回一个空指针。

作用：尝试重新调整之前调用 malloc 或 calloc 所分配的 ptr 所指向的内存块的大小。

返回值：该函数返回一个指针，指向重新分配大小的内存。如果请求失败，则返回 NULL。

	int* ptr3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (ptr3 == NULL)//检查是否分配失败
	{
		perror("malloc fail:");
		return;
	}
	int* tmp = (int*)realloc(ptr3, sizeof(int) * 10);//重新分配内存
	if (tmp == NULL)//检查是否分配失败
	{
		perror("realloc fail:");
		return;
	}
	ptr3 = tmp;//重新指向那块空间

3. C++中的内存管理

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与delete操作内置类型

使用new与delete操作内置类型十分简单，我们直接通过代码示例：

void TestNew1()
{
	//开辟一个整型大小的空间
	int* ptr1 = new int;
	//开辟一个整型大小的空间并初始化为1
	int* ptr2 = new int(1);
	//开辟一个双精度浮点型大小的空间
	double* ptr3 = new double;
	//开辟一个双精度浮点型大小的空间并初始化为0.1
	double* ptr4 = new double(0.1);
    //以此内推......
	//与C语言free功能类似，释放空间防止内存泄漏
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete ptr3;
	delete ptr4;
}

除了开辟整型，浮点型这类空间外，我们还能动态开辟数组。

void TestNew2()
{
	//开辟大小为10个整型的数组
	int* ptr1 = new int[10];
	//开辟大小为10个整型的数组,并初始化
	int* ptr2 = new int[10] {1, 2, 3, 4};
	//开辟大小为10个双精度浮点型的数组
	double* ptr3 = new double[10];
	//开辟大小为10个双精度浮点型的数组,并初始化
	double* ptr4 = new double[10] {0.1,0.2,0.3,0.4};
	//数组释放空间需要使用 delete[]
	delete[] ptr1;
	delete[] ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;

}

注意：

new单个类型与new一个数组，释放空间要分别与delete和delete[]配套使用，否则可能出现未知的结果。
在动态内存开辟数组时初始化与C语言数组初始化一样，未注明该初始化某个数值时，默认为0。并且对动态内存开辟数组时初始化是C++11支持的。

3.2. new与delete操作自定义类型

new/delete操作内置类型其实与C语言中的malloc/free并没有本质的区别，但是自定义类型就不一样了。请看下面这段代码。

class Betty
{
public:
	Betty()
	{
		cout << "Betty()" << endl;
	}
	~Betty()
	{
		cout << "~Betty()" << endl;
	}
private:
	int _b;
};
void TestNew3()
{
	Betty* ptr1 = (Betty*)malloc(sizeof(Betty));
	Betty* ptr2 = new Betty;
	free(ptr1);
	delete ptr2;
}

从这里我们就知道：new创建自定义类型时会自动调用其构造函数，delete释放其空间时会自动调用其析构函数。

3.3. 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，而operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，并且operator new和operator delete也不是对new和delete的重载，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。以下是operator new与operator delete函数的源代码：

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。

void TestNew4()
{
	Betty* ptr1 = (Betty*)malloc(sizeof(Betty));
	Betty* ptr2 = (Betty*)operator new(sizeof(Betty));
	free(ptr1);
	operator delete (ptr2);
}

通过观察我们发现operator new与operator delete函数对于自定义类型一样不会调用其构造函数与析构函数。

3.4. new与delete的实现

通过上述的学习之后，我们就可以来简单探究一下new与delete的实现原理，请看下面这段代码：

void TestNew5()
{
	int* ptr1 = new int;//内置类型
	Betty* ptr2 = new Betty;//自定义类型
	delete ptr1;
	delete ptr2;
}

我们可以通过查看反汇编来具体观察new与delete是如何运作的：

通过观察我们总结出以下这些规律：

对于内置类型

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，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

对于自定义类型

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

3.5. 定位new表达式

我们知道我们可以在类外直接显示调用析构函数，但是无法直接调用构造函数。如果想在类外调用，则需要使用定位new，定位new简单来说就是**对已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。**其语法形式如下：

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

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)："<<_a << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
void TestNew6()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	new(p1)A; 
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
}

4. 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：

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。