【C++】C/C++内存管理

1、C/C++内存分布

在这里插入图片描述

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

void Test ()
{int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));free(p1);//【1】malloc/calloc/realloc的区别是什么？【calloc = malloc + memset】int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);//【2】这里需要free(p2)吗？【不需要】free(p3);
}

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。
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[]，要匹配使用。

int main()
{//单个对象int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p2 = new int; //自动计算大小，不需要强转//多个对象int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);int* p4 = new int[10];free(p1);free(p3);delete p2;delete[] p4;//额外支持了开空间+初始化int* p5 = new int(1);int* p6 = new int[10] {1, 2, 3};int* p7 = new int[10] {};delete p5;delete[] p6;delete[] p7;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

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;
};struct ListNode
{ListNode* _next;int _val;ListNode(int val = 0):_val(0), _next(nullptr){}
};int main()
{//malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//p1->_a = 0;//p1->A(1);//自定义类型，开空间+调用构造函数初始化A* p2 = new A;A* p3 = new A(3);//自定义类型，调用析构函数+释放空间delete p2;delete p3;A* p4 = new A[10];delete[] p4;A aa1;A aa2;A* p5 = new A[10]{ aa1,aa2 }; //有名对象delete[] p5;A* p6 = new A[10]{ A(1),A(2) }; //匿名对象delete[] p6;A* p7 = new A[10]{ 1,2 }; //隐式类型转换ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);ListNode* n4 = new ListNode(4);ListNode* n5 = new ListNode(5);n1->_next = n2;n2->_next = n3;n3->_next = n4;n4->_next = n5;delete n1;delete n2;delete n3;delete n4;delete n5;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

【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

【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
（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

6、定位new表达式（placement-new）

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】

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A()" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};int main()
{//newA* p1 = (A*)operator new(sizeof(A)); //只开空间，没初始化//p1->A(2); //error【不能显示调用构造函数】new(p1)A(2); //【定位new，可以显式调用构造函数】//deletep1->~A(); //【可以显式调用析构函数】operator delete (p1);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（用法+底层原理）：
【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
创造 new/delete 的目的：