【C++】第五节：内存管理

1、C/C++内存分布

看下面一段代码

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 C，全局变量和静态变量在静态区
staticGlobalVar 在 C
staticVar 在 C
localVar 在 A
num1 在 A
char2 在 A，char2 也是一个变量
*char2 在 A，数组名是首元素的地址，解引用就是a，在栈上
字符串常量 "abcd" 存储在代码段的常量区，而指针变量 pChar3 存储在栈上
const char* pChar3 = "abcd";表示 pChar3 是一个指向 const char 的指针，指针 pChar3 指向的位置可以被更改，但是不能通过 pChar3 来修改它所指向的字符数据
pChar3 在 A
*pChar3 在 D
ptr1 在 A，ptr1是一个指针（局部变量），指向的空间在堆上
*ptr1 在 B

2. 填空题：
sizeof(num1) = 40;
sizeof(char2) = 5; 注意 sizeof 计算时包括最后的'\0'
strlen(char2) = 4;//遇到'\0'终止
sizeof(pChar3) = 4/8;
strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4/8;

【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。
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。

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

void Test()
{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);
}

为什么不需要 free(p2) 呢？

因为如果 realloc 原地扩容，p2 和 p3 是一样的；如果是异地扩容，p2 在 realloc 成功后已经指向新的内存块，旧的内存块会自动释放。

malloc/calloc/realloc的区别？

// 分配指定字节数的未初始化内存
void* malloc (size_t size);// 分配指定数量的元素并初始化为零
void* calloc (size_t num, size_t size);// 调整以前分配的内存块的大小，可以扩大或缩小内存块
void* realloc (void* ptr, size_t size);

3、C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{// 动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr2 = new int(10);// 动态申请10个jin类型的空间int* ptr3 = new int[10];// 释放空间delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;
}

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[]，匹配使用！

3.2 new和delete操作自定义类型

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最大的区别是// new/delete对于自定义类型除了开空间还会调用构造和析构函数A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;// 内置类型几乎是一样的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;
}

Stack 的构造和析构：

typedef char DataType;
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack()" << endl;_array = new DataType[4];_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(DataType data){_array[_size] = data;_size++;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;delete[] _array;_array = nullptr;_capacity = _size = 0;}
private:// 内置类型DataType* _array;int _capacity;int _size;
};Stack* func()
{int n;cin >> n;Stack* pst = new Stack(n);return pst;
}int main()
{Stack* ptr = func();ptr->Push(1);ptr->Push(2);delete ptr;return 0;
}

4、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 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的实现原理

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

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

6、面试题

6.1 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：

malloc 和 free 是函数，new 和 delete是操作符
malloc 申请的空间不会初始化，new 可以初始化
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
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
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
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