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C/C++内存分布

C语言中动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc和free

C++内存管理方式

new/delete操作内置类型

new/delete操作自定义类型

operator new 与 operator delete

new/delete实现原理

内置类型

自定义类型

定位new表达式（placement-new）

malloc/free和new/delete的区别

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首先我们先讲解一下内存的分布.

C/C++内存分布

无论是c语言还是c++，我们都应该清晰的知道数据应该存储在哪个位置，比如全局变量存在哪个区域，静态变量，临时变量呢？等等.如果不能清晰的认识数据存储的位置，那么一些程序我们可能也就无法理解.

先来看下面的内存分布图.

 这里需要注意的是：

1.堆开辟空间时，内存是向高地址开辟的，而栈是向低地址.

2.代码段存放的不是写的代码，而是经过代码编译链接之后生成的二进制指令代码.还有常量数据，环境变量等等.

其中，栈区主要存放临时变量，函数参数，返回值等等.这个是由系统自动开辟的.

堆区是程序员主动申请的空间，后面可能需要主动释放，这取决于语言.

 有了基础的概念，可以先看下面一段程序.

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";
	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);
}

然后看下面的问题：

一.

选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段

globalVar在哪里？全局变量，存放在数据段(静态区)

staticGlobalVar在哪里？静态全局变量，也存放在数据段(静态区)     

staticVar在哪里？ 静态变量，存放在数据段(静态区)       

localVar在哪里？临时变量，存放在栈区

num1在哪里？num1是数组名，临时变量，同样存放在栈区.

char2在哪里？和上一个一样是数组，也是临时变量，存放在栈区.

*char2在哪里？数组名代表整个数组，它的值是数组元素的首地址.解引用后得到的是首元素.

 所以存放在栈区.

char2的内容是"abcd",是一个常量字符串，不应该存放在静态区吗？其实是内部是先在栈区开辟了一块空间，开辟完成之后再把静态区的内容拷贝过去的.所以解引用后无论是第一还是第二个元素，都是存放在栈区.

pChar3在哪里？可以发现pChar3是一个指针，也是一个临时变量，所以存放在栈区.

*pChar3在哪里？这个和刚刚的char2不一样，因为pChar3是一个指针，所以它是直接指向了静态区的内容"abcd",所以此时解引用得到的数据是在静态区的.

ptr1在哪里？由于ptr1是一个指针，是临时变量，所以依然存放在栈上.

*ptr1在哪里？由于ptr1指向的空间是自己主动申请的，所以存放在堆上.

二.

1.sizeof(num1)= ____; 答案:40.

解析：有的同学可能有疑惑，数组名不是首元素地址吗，地址是一个指针，指针大小不应该是4/8吗？

这里有两个例外：

1.sizeof(数组名),此时数组名的值虽然还是首元素地址，但是此时数组名代表整个数组，所以sizeof变成了求整个数组的大小，一共十个int数据，所以大小为4*10=40.

2.&数组名   数组名代表整个数组，此时取出的是整个数组的地址，而不是首元素地址.

除这两种情况以外的所有情况，数组名都只代表首元素地址

这两个的详细说明及验证可以看我之前写的指针初阶详解中的第五个部分.

2.sizeof(char2) = ____;答案：5

解析：char2数组中一共有5个数据，abcd还有'\0'！，'\0'是字符串的结束标志，每个字符串后面就要加.sizeof计算的是总字节大小，所以要算上\0，答案为5

3.strlen(char2) = ____;答案：4

解析：strlen计算的是字符串的长度，并不包括\0,所以答案是4.

4.sizeof(pChar3) = ____; 答案：4/8（32位平台/64位）

解析：pChar3是一个指针，指向了字符串"abcd"的首元素地址，指针的大小为4/8.

5.strlen(pChar3) = ____;答案：4

解析：pChar3传入进去，strlen会将其解读为字符串，并向后读取，共有abcd四个数据，strlen不计算'\0'，所以答案为4.

6.sizeof(ptr1) = ____;答案：4/8

解析：ptr1是一个指针，所以大小为4/8.

这里简单总结一下各个区域所存储的变量类型.

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。（后面我会在讲解linux进行详细讲解）
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。

C语言中动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc和free

C语言中一共有四种管理内存的方式： malloc/calloc/realloc和free

这里不做太多的介绍了，主要是说一下它们之间的区别：

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malloc就是为变量申请一块空间，别的什么都不干.

calloc就是为变量申请空间时，同时将其初始化为0.

realloc是扩容，在前面申请的空间不够时，可以用realloc扩容.

但这里又分为两种情况：

1.原地扩容，即扩容后首元素的地址还是原来的地址

2.异地扩容，扩容后首元素地址改变，即重新开辟了一块空间，并将原来地址里的数据全部拷贝到新开辟的空间中去.

free就是释放掉已经开辟的空间.

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下面这一段代码，就大致的看一下用法

void Test()
{
    int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    free(p1);
    // 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：这里为p1申请了一个大小为sizeof(int)的空间，并且没初始化.

calloc：为p2申请了4个大小为sizeof(int)的空间，并且初始化为0.

 可以看到p2的前四个数据已经被成功初始化为了0.

realloc：为p2扩容至10个sizeof(int)空间.注意，是至，也就是说不是追加10个空间，而是扩容到（至）10个空间.

回到上面那个问题，释放了p3还需不需要释放p2，这取决于realloc扩容的情况.

若是原地扩容，则p2和p3地址一样，释放了p3就相当于释放了p2

若是异地扩容，则p2和p3地址不一样，p2和p3都需要释放.

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，即C++兼容C，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

这次再次注意：new和delete是操作符，不是函数！和上面那四个函数不同，所以我们不能以函数的角度去理解它.

先来看看它们的基本用法.

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	//动态申请一个类型的空间，并将其值初始化为5
	int* p2 = new int(5);

	//动态申请5个int类型的空间
	int* p3 = new int[5];

	return 0;
}

可以发现p1没有被初始化，而p2被初始化了.

但是怎么对p3初始化呢？它是一个数组，怎么在开辟空间时初始化呢？ 

在C++98中，是不支持对动态开辟的数组进行初始化的.

在C++11中，在才进行的支持.方法如下：

	//动态申请5个int类型空间并初始化
	int* p4 = new int[5]{ 1,2,3 };

 可以看到已经被初始化了.

那么开辟了空间怎么释放呢？

如果开辟的只是一个对象，delete p即可.

如果开辟的是一个数组，那么释放的时候需要加上[],即delete[] p;

new/delete 和 new[]/delete[]一定要匹配使用！否则可能出现问题.         

还有malloc等开辟的空间，最好使用free释放.

new开辟的空间，使用delete释放.

所以释放的代码如下：

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	//动态申请5个int类型的空间
	int* p3 = new int[5];

	delete p1;
	delete[] p3;

	return 0;
}

那么new和malloc有什么区别啊，不都是开辟空间吗？

其实针对内置类型，new/delete和malloc/free没有本质的区别，只有用法的区别.

new/delete用法简化了

但是new/delete真正针对类型是自定义类型.

new/delete操作自定义类型

对于自定义类型：

new创建对象时不仅会开辟空间，还会调用它的构造函数.而malloc不会调用构造函数，这是重要的区别之一.

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};

int main()
{
    //C语言创建
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
    //C++创建对象
    //1.堆上申请空间2.调用其构造函数
	Test* p2 = new Test;

	return 0;
}

可以看到malloc的对象并没有初始化，即并没有调用构造函数.

而new的对象调用了构造函数被成功初始化为0.

同时free和delete也有很大的区别.

对于自定义类型：

delete对象时会先调用析构函数清理对象中的资源，然后再释放空间，而free只是释放空间.

由上可以看出，C++中的new/delete是专门针对自定义类型而产生的.不仅会在堆上申请空间，还会调用构造和析构函数进行初始化和清理. 

还有一个差异是对申请空间失败的处理.new失败会抛异常，而malloc失败则会返回一个NULL，所以malloc申请的一般要检查返回值.

异常会在后面详细讲解.

operator new 与 operator delete

那new/delete在内部是怎样开辟空间和初始化的呢？        

我们看一下new的反汇编代码.

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 可以看到new主要完成了两件事情：

1.调用operator new 全局函数开辟空间

2.调用这个类的构造函数初始化

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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.

那这个operator到底是个什么东西呢？

注意operator new 不是对new的重载，只是一个全局函数.这也是C++命名不好的一个地方.

可以看一下operator new源码.

/*
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，如果用户设置了应对措施，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);
}

那么既然要开空间，operator new为什么不直接调用malloc呢，还要写一大堆这些东西.

这其实是封装malloc，为了符合C++new失败的机制，既失败抛异常机制.

总结就是operator new有两个作用：

1.帮助new开空间

2.封装malloc，使其符合C++new失败抛异常的机制.

所以比如new Type本质是这样的.

1.call operator new ------>malloc（失败抛异常）

2.call Type的构造函数

operator delete其实本质上还是free来释放空间的，只不过其中加了一些判断.这个了解即可.

operator new/operator delete 还可以进行专属重载，了解一下就可以.

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new/delete实现原理

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这个我们之前已经说的差不多了，这里就简单总结一下.

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
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
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

这里需要注意的是：operator new[] 也是一个全局函数，不同于operator new，delete同理.

定位new表达式（placement-new）

之前有两种系统自动调用构造函数的方式:

1.用类定义对象时，比如A p1;

2.new对象时，比如A* p1 = new p1;

这个是第三种.

先来看一下它的作用：

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

第一种形式是构造函数不需要传值，第二种形式是需要传值.

place_address相当于是一个对象，但必须是指针类型.

type是类的名字.

initializer_list是传入的数据.

比如：

#include <iostream>
using namespace std;

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout << "Test():" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test():" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};

int main()
{
	//只是开辟了一块空间，并没有初始化
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	//利用定位new调用构造函数
	new(p1) Test;

	return 0;
}

在没有执行placement-new时，p1里面的数据并没有被初始化.

接着我们继续向下执行.

 可以看到已经被初始化了.

那我们直接用new不就好了，为什么这么麻烦呢？

其实这里只是演示了一下用法，它真正的使用场景是配合内存池一起使用的.

因为将来有一些空间是从内存池得到的空间，并没有被初始化，所以这个时候便发挥出了作用.

malloc/free和new/delete的区别

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

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

        还有一些内存泄漏问题，大家可以参考我之前写的指针详解初阶这篇文章，在最后有详细的说明，当然再具体的，我们会在后面的智能指针讲解.

本文完.

如果有错误或疏漏之处，欢迎指正或补充哦~