C&C++动态内存管理

C语言动态内存管理

关于C语言动态内存管理实际上就三个函数malloc和calloc以及realloc，更多的是去理解，用C语言去实现数据结构阶段如果细心你就会可以发现，所有的数据结构都是使用动态内存管理的方式，在堆区上开辟空间来进行处理的，关于C语言的内存管理链接放在这里：C语言动态内存管理http://t.csdn.cn/gIXSr，有需要的可以点进去复习。

下面作为一道检验C语言动态内存管理的一道经典题目：

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)
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？

三道题，我相信很多人未必能全部做对，这其实是对动态内存的理解的还是不够深刻，下面是答案：

C/C++中程序内存区域的划分

C++动态内存管理

因为C++兼容C语言，所以C语言的那套当然可以继续用，但是有些时候会比较麻烦，就显得有些无力了，所以C++又做出了自己的一套东西，new和delete操作符，是的你没有看错，new和delete是操作符，而不是函数，C语言的三个是函数，而C++中的new和delete是操作符。这是第一个要记住的点。

new和delete

new和delete操作内置类型

void Test()
{
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int(5);
	int* p3 = new int[5];
	int* p4 = new int[5] {1, 2, 3};
    delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
}

可以看到，如果不初始化申请出的空间默认是随机值。而数组部分初始化，剩余部分初始化为0。

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。

如果你好奇malloc和delete，new和free这样有什么后果大可以去验证一下。

可以看到不同编译器下是不同的，我的VS2022似乎是意识到了问题将代码优化了一下，但是又没有完全优化，而是进程结束卡住结束不了，只有终止进程才可以结束。而在DevC++中则是直接编译失败。在VS2019中的结果应该是直接弹出一个debug的窗口和蜂鸣（类似于assert断言时的出错），所以这种做法当然是不可取的，研究一下玩玩满足一下好奇心就可以了，知道这是不合理的，以后配对使用即可。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a=0, int b=0)
		:_a(a), _b(b)
	{
		cout << "我是构造函数" << endl;
	}
	~A() 
	{
		cout << "我是析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};

void Test()
{
	A* p1 = new A(3, 4);
	delete p1;
	A* p2 = new A[5]{ A(1,2),A(3,4),A(5,6),A(7,8),A(9,10) };
	//A* p2 = new A[5]{ (1,2),(3,4),(5,6),(7,8),(9,10)}; 不可以这样写，这里面的括号会被认为是逗号表达式
	delete[] p2;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行代码就会发现实际上new和delete它们相比于malloc和free的特点就是会调用默认构造函数和析构函数

那么如果没有默认构造函数呢？直接报错。

我们从底层其实也可以看到确实是调用了默认构造和析构函数：

而对于自定义类型new和delete和malloc和free其实没有本质区别，这点从底层也可以看出来。

所以就可以总结一下了：

• new和delete在操作内置类型时和malloc和free没有本质区别，都是开辟空间。
• new和delete在操作自定义类型时，new除了开辟空间外还调用构造函数，delete除了回收空间外还调用析构函数。

new和delete实现原理

operator new和operator delete

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

我们上面说过，new和delete是操作符，而不是函数，那么其实现原理其实就是调用底层的函数。

函数名operator new 和operator delete听起来似乎像是重载，但是实际上不是重载，仅仅是全局函数而已。

下面是operator new的operator delete的库里面的源码：

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);
}
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;
}

当然看不懂没关系，我们只需要看一下拿到我们想要的东西即可，我们需要注意的是下面两处地方：

可以看到，在operator new中是有调用malloc的，在operator delete中是调用了一个_free_dbg，用的是和free是一样的东西，这就是我们要注意的东西，当然绝对不是简单的调用，否则这两个函数就没有存在的必要了，下面要重点见识一下的是operator new的东西，面向对象的语言中出现错误是喜欢抛异常，包括java和Python等语言也一样，而不是像C语言一样返回错误码。

像这样一直去申请内存，最后申请失败时就会抛出一个异常。异常则是需要去捕获的：

此时显示出的bad allocation则是捕获到的异常。

上面听不懂也没有关系，不重要，重要的是我们知道了operator new绝对不是简单的调用malloc函数去开辟空间的，而是在malloc的基础上进行封装，毕竟有现成的函数当然不会再去从头搞。operator delete则没有什么异常之类的，注意就是多了一些检查之类。

new和delete的实现原理

这时候我们就可以理解new和delete了，现在来做一下总结：

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。

对于自定义类型则要分情况：

• 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

3. 

• 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

3. 注意顺序：先调用析构，再调用operator delete。

4. 

• 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

2. 在申请的空间上执行N次构造函数

• 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

下面两个作为了解即可。和上面其实一样，只是申请的是连续的空间。

定位new表达式(placement-new)

定位new这个语法呢，了解即可，使用的场景不多，但是也会有，至少要留下一个印象。

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

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(10);//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;
}

其实就是先开好空间，然后手动调用构造函数和析构函数，最后释放指针的操作。就是从自动变到了手动。这时候肯定有人有疑问了，我知道你很急，但是你先别急，既然大佬这么设计了，当然就有它独特的应用场景。

这里简单提一下内存池的技术：

当然了，这其实是一种小众的需求，为了提高效率有时会使用。例如STL中就有这样的操作。

总结malloc/free和new/delete的区别

这个问题也是以后经常要被问到的问题，例如考试，面试，复试等可能会经常出现。一定不要死记硬背，要理解着去记忆，如果是考试或许你背住能过关，但是复试，面试的话一眼就能看出来。

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

内存泄漏

关于内存泄漏，其实是个很复杂的问题，否则也不会困扰很多人了，现在就先暂时不展开说了，以后知识丰富了，再来解决这个问题。