【C++】C/C++内存管理（new/delete）

C/C++内存分布

代码内存相关问题

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);
}

一、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
staticVar在哪里？ C
localVar在哪里？ A
num1 在哪里？ A
char2在哪里？ A
*char2在哪里？ A
pChar3在哪里？ A
*pChar3在哪里？ D
ptr1在哪里？ A
*ptr1在哪里？ B
（*pChar3指向的是字符串常量 “abcd”。字符串常量在程序编译后通常存储在代码段（常量区），这是因为字符串常量在程序运行过程中不应该被修改，具有只读属性，就如同程序的代码一样在运行期间保持不变。所以，*pChar3所指向的内容在代码段（常量区）。）

二、填空题：
sizeof(num1) = 40;
sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;
sizeof(pChar3) = 4/8; strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4/8;
在这里插入图片描述

sizeof(num1)：
- num1是一个整型数组，其中包含 10 个整数。在大多数系统中，一个整数通常占用 4 个字节，所以sizeof(num1)的值为 10 * 4 = 40。
sizeof(char2)：
- char2是一个字符数组，初始化为"abcd"。字符串"abcd"实际上存储为’ a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’, '\0’这五个字符，每个字符占用 1 个字节，所以sizeof(char2)的值为 5。
strlen(char2)：
- strlen函数计算的是字符串的长度，不包括字符串结束符’\0’。这里字符串"abcd"的长度为 4，所以strlen(char2)的值为 4。
sizeof(pChar3)：
- pChar3是一个指针变量，在大多数系统中，指针变量的大小通常为 4 或 8 字节（取决于系统是 32 位还是 64 位）。所以sizeof(pChar3)的值为 4 或 8。
strlen(pChar3)：
- 由于pChar3指向的字符串也是"abcd"，和char2指向的内容相同，所以strlen(pChar3)的值也为 4。
sizeof(ptr1)：
- ptr1也是一个指针变量，其大小与pChar3相同，为 4 或 8 字节。

三、sizeof 和 strlen 区别？
sizeof和strlen主要有以下区别：

1.性质不同

sizeof是一个运算符，在编译时进行计算，不需要实际运行程序就能确定结果。它给出的是操作数在内存中所占用的字节数，其结果是一个常量表达式。
strlen是一个函数，在程序运行时计算，它从给定的字符指针开始，逐个字符检查，直到遇到字符串结束符’\0’为止，然后返回字符串的长度（不包括结束符）。

2.作用对象不同

sizeof可以用于各种数据类型和变量，包括基本数据类型（如int、char、double等）、数组、结构体、联合体等。例如，对于一个数组int arr[10]，sizeof(arr)会给出整个数组所占用的字节数。对于一个结构体类型的变量，sizeof会给出该结构体变量所占用的内存空间大小。
strlen只能用于以’\0’结尾的字符串，即字符指针指向的内存区域必须是以空字符结束的字符序列。

3.计算内容不同

sizeof计算的是数据类型或变量所占用的内存空间大小，包括可能存在的填充字节等。例如，对于一个结构体，sizeof可能会考虑到对齐要求而包含一些额外的字节。
strlen只计算字符串的有效字符长度，不包括字符串结束符’\0’。

内存区域划分

在这里插入图片描述
【说明】

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，堆是向上增长的。
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。

C++内存管理方式（new/delete）

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

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。

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));
free(p1);

A* p2 = new A(1);
delete p2;


// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
free(p3);

int* p4 = new int;
delete p4;

A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
free(p5);

A* p6 = new A[10];
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。

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

在这里插入图片描述
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。

new和delete的实现原理

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。

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。

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。

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;
}