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所属专栏：C++：由浅入深篇
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1.C/C++内存分布
我们先来看下面一段代码和相关问题
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);
}1. 选择题：选项 : A . 栈 B . 堆 C . 数据段 ( 静态区 ) D . 代码段 ( 常量区 )1.globalVar 在哪里？ ____ staticGlobalVar在哪里？____答案：C C 解析：globalVar是全局变量存在数据段（静态区），staticGlobalVar也是全局变量，存在数据段（静态区)。两者的区别主要在于：普通全局变量的作用域是整个程序，在程序任何地方都能访问；静态全局变量的作用域仅局限于定义它的文件内部，在其他文件中无法直接访问。2.staticVar 在哪里？ ____ localVar在哪里？ ____答案：C A 解析：被static修饰的局部变量staticVar放在数据段（静态区），而普通的局部变量localVar放在栈上。两者的区别主要在于：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。3.num1 在哪里？ ____答案：A 解析：局部变量放在栈区。4.char2 在哪里？____ * char2 在哪里？ ___答案：A A 解析：char2也是局部变量放在栈区；常量字符串"abcd"放在代码段（常量区），数组开辟的空间在栈区，在数组开辟时，常量字符串中的字符会被一个一个拷贝给数组，又因为数组名代表数组首元素的地址，*char2就是a，a也是一个局部变量放在栈区。5.pChar3 在哪里？ ____ * pChar3 在哪里？ ____答案：A D 解析：pChar3是一个局部的指针变量放在栈区；常量字符串"abcd"放在代码段（常量区），对pChar3是一个指针，指向字符串的首字符'a'，*pChar3就是'a'，在代码段（常量区）。6.ptr1 在哪里？ ____ * ptr1 在哪里？ ____答案：A 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动态开辟的，存放在堆区，所以*ptr1在堆区。
图解：
【说明】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
2.C语言中动态内存管理
（1）calloc
void* malloc (size_t size);
这个函数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。
• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//20个字节——存放5个整型
int* p = (int*)malloc(20);//注意强制类型转化
if (p == NULL)//判断p指针是否为空
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
//释放p所指向的动态内存空间
free(p);//传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址
p = NULL;//这里要置为NULL,是为了防止p成为野指针
return 0;
}（2）calloc
C语言还提供了⼀个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
证明：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}运行结果：
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。
（3）realloc
• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。
那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1：原有空间之后有足够大的空间
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
我们来看realloc的用法：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
//希望将空间调整为40个字节
int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
if (ptr != NULL)//调整成功
{
p = ptr;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
}
else//调整不成功
{
perror("realloc");
free(p);
p = NULL;;
}
return 0;
}
这就属于第一种情况。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
//希望将空间调整为40个字节
int* ptr = (int*)realloc(p, 400000);//这里相对上一个有所不同
if (ptr != NULL)//调整成功
{
p = ptr;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
}
else//调整不成功
{
perror("realloc");
free(p);
p = NULL;
}
return 0;
}
这种就属于情况二。
若想深入了解，请看掌握动态内存管理：做内存的主人-CSDN博客
3.C++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
。
3.1new和delete操作内置类型
1.动态申请单个某类型的空间
//动态申请一个整型大小的空间
int* p1 = new int;
//销毁
delete p1;对比C语言：
//等价于
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);2.动态申请多个某类型的空间
//动态申请10个整型大小的空间
int* p2 = new int[10];
//销毁
delete[] p2;对比C语言：
//等价于
int* p2 = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
free(p2);3.动态申请单个某类型的空间并初始化
//动态申请一个整型大小的空间
int* p3 = new int(1);//初始化为1
//销毁
delete p3;对比C语言：
//等价于
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
*p3 = 1;
free(p3);4.申请多个某类型的空间并初始化
//动态申请10个整型大小的空间
int* p4 = new int[10] {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};//初始化
//销毁
delete[] p4;对比C语言：
//等价于
int* p4 = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*(p4 + i) = i;
}
free(p4);
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[ ]。要注意配套使用，否则可能会有未知的错误。
- 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。
3.2new和delete操作自定义类型
以下面自定义类型为例：
class A
{
public:
//构造函数
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "构造函数" << endl;
}
//析构函数
~A()
{
cout << "析构函数" << endl;
}
private:
int _a;
};1.动态申请单个类的空间
//申请单个类的空间
A* ptr1 = new A;//调用构造函数，_a = 0
A* ptr3 = new A(1);//调用构造函数，_a = 1
//销毁
delete ptr1;
delete ptr3;用malloc和free：
A* ptr1 = (A*)malloc(sizeof(A));
free(ptr1);2.动态申请多个类的空间
//申请3个类的空间
A* ptr2 = new A[3];//调用构造函数 0 0 0
A aa1(1), aa2(2), aa3(3);
A* ptr4 = new A[3]{ aa1, aa2, aa3 }; // 1 2 3
A* ptr5 = new A[3]{ A(1),A(2),A(3) };// 1 2 3
A* ptr6 = new A[3]{ (1),(2),(3) };//1 2 3
//销毁
delete[] ptr2,ptr4,ptr5,ptr6;//析构函数用malloc和free：
A* ptr2 = (A*)malloc(10 * sizeof(A));
free(ptr2);
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
。
总结：
1.C++中如果是申请内置类型的变量或数组，用new/delete或malloc/free是没有什么区别的。
2.如果是申请自定义类型，区别很大，new/delete的作用分别是开空间+构造函数，释放空间+析构函数，而malloc和free只是简单的开空间和释放空间。
3.建议我们无论是申请内置类型还是自定义类型，都使用new和delete。
3.3operator 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。
下面是operator new和operator delete函数的源代码：
/*
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;
}
/*
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。
A* test1 = new A;
delete test1;
//等价于
A* test2 = (A*)operator new (sizeof(A));//开辟空间
new(test2)A(1);//调用构造函数 定位new表达式
test2->~A();//调用析构函数
operator delete (test2);//释放空间所以要注意哦，单独使用operator new和operator delete函数是不会调用构造函数和析构函数的。
3.4new和delete的实现原理
我们将通过下面的代码简单了解一下new和delete的实现原理。
int* p1 = new int;//内置类型
delete p1;
A* p2 = new A(1);//自定义类型
delete p2;通过前面的学习，我们转到反汇编看一下new和delete是如何运作的。
下面我们进行简单的总结：
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 （placement-mew）
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。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}4.new/delete和malloc/free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
