【C++干货篇】——C/C++内存管理

1.C/C++内存分布

在 C/C++ 程序中，内存区域通常被划分为几个主要区域，这些区域在虚拟进程地址空间中具有不同的用途。下面是对每个区域及其存储内容的简要介绍：

1.1静态区/数据段：

存储内容：全局变量、静态变量（包括静态局部变量）、未初始化的全局变量和静态变量（这些变量在内存中默认为零）。
特性：静态区的生命周期是在整个程序运行期间，内存分配在程序启动时进行，程序结束时释放。

1.2常量区/代码段：

存储内容：常量数据，例如字符串常量、常量字符、整数常量等。

特点：常量区通常是只读的，编译器在优化时可能会将相同的常量合并存储以节省内存。

1.3栈：

存储内容：局部变量、函数参数、返回地址、函数调用时的上下文信息等。

特性：栈采用后进先出管理方式，内存分配和释放是在函数调用的过程中自动进行的。**函数调用建立栈帧，调用结束栈帧销毁。**栈的大小通常是有限的，如果使用过多会导致栈溢出。

1.4堆：

存储内容：动态分配的内存块，例如通过 malloc 或 new 分配的内存。

特性：堆的内存管理由程序员控制，可能导致内存泄漏（memory leak）或堆碎片化。堆的大小通常受限于系统的可用内存。

1.5. 内存映射区：

存储内容：动态链接库（DLLs）、共享内存、文件映射等。

特性：内存映射区域用于将特定的文件或设备映射到进程的地址空间中，可以实现高效的文件I/O、进程间通信等功能。

总结起来，这些内存区域在程序运行中承担着不同的职责，合理使用它们可以有效管理内存，提高程序的性能和稳定性。

我们来看下面的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);
}

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——全局变量

staticGlobalVar在哪里？C——静态变量

staticVar在哪里？C——局部静态变量，Test函数结束，它不销毁

localVar在哪里？A——局部变量

num1 在哪里？A——局部变量

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

2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{
    // 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？
    free(p3 );
}

malloc/calloc/realloc的区别？

在C语言中，malloc、calloc和realloc都是用于动态内存分配的函数，虽然它们有相似的目的，但各自的用法和特点不同：

1. malloc

• 函数原型：void* malloc(size_t size);
• 功能：分配一块指定大小（以字节为单位）的未初始化内存。
• 返回值：返回指向分配内存的指针。如果分配失败，返回 NULL。
• 初始化：malloc 分配的内存内容是未定义的，可能包含任意数据。

2. calloc

• 函数原型：void* calloc(size_t num, size_t size);
• 功能：分配一块内存，其大小是 num 个对象，每个对象的大小是 size 字节。实际上分配的总内存是 num * size 字节。
• 返回值：同样返回指向分配内存的指针。如果分配失败，返回 NULL。
• 初始化：calloc 分配的内存会被初始化为零。

3. realloc

• 函数原型：void* realloc(void* ptr, size_t size);
• 功能：重新分配 ptr 指向的内存块的大小为 size 字节。如果 ptr 为 NULL，则相当于调用 malloc；如果 size 为 0，则相当于调用 free(ptr)。
• 返回值：返回指向新分配内存的指针。如果重新分配失败，原来的内存块不会被释放，返回值为 NULL。
• 特点：realloc 可能会移动原来的内存块到新的位置，如果移动成功，原指针的内存会被释放，因此需要保存返回的新指针。

总结

• malloc：分配未初始化内存。
• calloc：分配并初始化为零的内存。
• realloc：改变已有内存块的大小，并可能移动内存块。

使用这些函数时，记得调用 free 来释放不再需要的内存，以防止内存泄漏。

3.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。

3.1new/delete操作内置类型（内置类型用malloc还是new区别不大）

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[3];
    int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};
    int* ptr8 = new int[5]{1,2,3};
    
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
}

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。

3.2new和delete操作 自定义类型（推荐用new)

class A
{
public:
    A(int a = 0)
    : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    //只申请空间
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    
    //申请空间+调用构造函数
	A* p2 = new A(1);//没有默认构造可以自己传参
    A* p3 = new A;//可以调用默认构造
    
	free(p1);//只释放空间
    
    //调用析构函数+释放空间
	delete p2;
    delete p3;

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

4.operator new与operator delete函数（重要点）

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。

5.new和delete的实验原理

5.1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。

5.2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

• 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来释放空间

6.定位new表达式(placement-new)（了解）

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()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A)); 
	new(p1)A; 
	p1->~A();
    free(p1);
    
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
    
	return 0;
}

7.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

最后，本篇文章到此结束，感觉不错的友友们可以一键三连支持一下笔者，有任何问题欢迎在评论区留言哦~