1.C/C++内存管理

在C/C++中，内存管理是程序员负责管理计算机内存的过程。内存管理涉及到分配和释放计算机内存以存储变量、对象、数据结构和程序代码段等信息。

在C/C++中，程序员需要手动分配和释放内存来避免内存泄漏、内存错误和碎片等问题。C语言中使用malloc和free函数来分配和释放内存，C++中使用new和delete运算符来实现相同的目的。

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在C++程序中，内存可以划分为以下几个部分：

（1）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
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2.C语言的内存管理方式

（1）栈内存分配：栈内存分配是由系统自动分配和释放的。在函数调用时，函数的参数和局部变量会被分配在栈中。当函数调用结束时，栈中的数据会被自动释放。栈内存是一种有限资源，如果栈空间不足，可能会导致程序失败。

void bar()
{
    int x = 42; // 分配到栈上
}

int main() {
    bar();
    return 0;
}

（2）堆内存分配：堆内存分配是在程序运行期间由程序员手动分配和释放的动态内存。堆内存的大小取决于程序员请求的内存块的大小，它的生存时间也不固定。在C语言中，动态分配内存通常使用 malloc()、calloc()、realloc()和free()函数来进行。

C语言动态内存分配介绍

int main() 
{
	int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
	free(p3 );
}

（3）静态内存分配：静态内存分配是在程序编译期间由编译器自动分配的内存。全局变量、静态变量、常量和字符串等通常存储在静态内存中，并且在程序运行期间都不会被释放，例如由static和const等关键字声明的变量。

#include <stdio.h>

int g_global_var; //全局变量

int main()
{
    static int s_static_var; //静态局部变量
    return 0;
}

（4）内存池：内存池是一种在启动时就预先分配一大块内存的技术。这些内存可用于存储程序的变量和数据结构，以减少在剩余内存不足时频繁的内存分配和释放操作。内存池可用于提高程序的性能和减少内存分配时出现的内存碎片。

3.C++内存管理方式

在C语言中，常用的内存管理方式malloc、free等在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。

3.1 new和delete操作内置类型

new：用于动态分配内存，返回指向分配的对象或对象数组的指针。

delete：用于释放动态分配的内存，需要与new匹配，否则可能会导致内存泄漏或无效操作。

使用new和delete需要注意以下几点：

（1）对于单个对象的分配和释放，可以使用new和delete操作符：

int* ptr = new int; // 分配一个整型变量的大小

delete ptr; // 释放内存，避免内存泄漏

（2）可以在对于单个对象的分配的时候对其初始化：

int* ptr = new int(40); // 分配一个整型变量的大小

delete ptr; // 释放内存，避免内存泄漏

（3）对于数组的分配和释放，可以使用new[]和delete[]操作符：

int* arr = new int[4]; // 分配一个int类型的数组，大小为4
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    arr[i] = i;
}

delete[] arr; // 释放内存

（4）在使用new时，如果无法分配所需的内存，会抛出std::bad_alloc异常，并需要使用try-catch捕获该异常：

try {
    int *p = new int[1024*1024*1024];
} catch (const std::bad_alloc& e) {
    std::cout << "Allocation failed: " << e.what() << std::endl;
}

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。

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3.2 new和delete操作自定义类型

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。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	// 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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	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;
}

C++中的内存管理方式在C语言的管理方式上推陈出新，不仅有了new和delete类型，C++还引入了一些其它的内存管理方式、如：RAII(Resource Acquisition Is Initialization)、智能指针、STL容器等。

4.operator new与operator delete函数

operator new和operator delete函数是C++标准库中的函数，用于动态内存分配和释放。它们是C++内存管理的基本工具，可以用于自定义类型的动态内存管理，也可以用于重载默认的new和delete操作符。

operator new函数用于从堆上分配指定大小的未初始化内存块。它的基本语法如下：

void* operator new (size_t size);
void* operator new[] (size_t size);

总之：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)