💫 C/C++内存分布

  在认识内存管理之前我们需要先认识C/C++内存分布，首先声明一点这里的所讲的内存分布并不是物理内存的分布而是逻辑上的内存分布，逻辑内存与物理内存会以某种方式进行联系，这里不做过多说明，仅做初步了解。
  见下图：

  还是不够直观，怎么证明内存分布是如图形式

    1 #include<stdio.h>2 #include<stdlib.h>3 int g_val=100;4 int g_unval;                                                                                                 5 static int g_s_val=200;6 static int g_s_uval;7 int main(int argc,char*argv[],char*env[])8 {9   static int s_val=100;10   const char* p="hello world";11   char *heap1=(char*)malloc(10);12   char *heap2=(char*)malloc(10);13   char *heap3=(char*)malloc(10);14   char *heap4=(char*)malloc(10);15   printf("argv addr: %p\n",argv[0]);16   printf("env addr: %p\n",env[0]);17 18   printf("stack addr: %p\n",&heap1);19   printf("stack addr: %p\n",&heap2);20   printf("stack addr: %p\n",&heap3);21   printf("stack addr: %p\n",&heap4);22 23   printf("heap addr: %p\n",heap1);24   printf("heap addr: %p\n",heap2);25   printf("heap addr: %p\n",heap3);26   printf("heap addr: %p\n",heap3);27 28   printf("global unval addr: %p\n",&g_unval);29   printf("global unval addr: %p\n",&g_s_uval);30   printf("global val addr: %p\n",&g_s_val);31   printf("global val addr: %p\n",&g_val);32   printf("global val addr: %p\n",&s_val);33   printf("read onl addr: %p\n",p);34 35   printf("coad addr: %p\n",main);36   return 0;37 }             

简单介绍：

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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
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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💫C语言中动态内存管理方式

  开辟内存相关函数（malloc,realloc,calloc）

  ✨malloc

void* malloc (size_t size);
开辟size字节大小的连续空间，开辟成功返回所开辟空间的地址，开辟失败返回NULL

   ✨calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);
开辟num个size大小字节连续的空间，并为所开辟空间中每个字节赋初始值0,开辟成功返回所开辟空间的地址，开辟失败返回NULL

  ✨realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size);
realloc可以用于开辟空间但最重要的是这个函数可以为所开辟空间扩容
realloc为ptr所指向空间扩容，将原始空间扩容为size字节，扩容成功返回所开辟空间地址，开辟失败返回NULL
注意：realloc扩容方式有两种
 1：原地扩容，扩容成功返回原来内存空间地址，空间地址并不发生变化
 2：异地扩容，扩容成功返回一个全新内存空间的地址，空间地址发生变化，之间空间的数据拷贝至新的内存空间。
注意：realloc也有缩容的作用，但是推荐不要使用，缩容存在数据丢失的风险。

注意：因为realloc开辟空间的方式并不确定，处理时要格外小心.
  错误用示范

void Test1()
{int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);cout << p1 << endl;p1 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 10000000000);cout << p1 << endl;cout << (void*)NULL << endl;free(p1);
}

run:
  以如上方式用realloc对p1空间进行扩容并发生异地扩容同时扩容失败的情况下，用指向旧空间的指针存放新空间的地址，会丢失旧空间的数据，所以正确使用方式如下：
  正确示范

void Test1()
{int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);cout << p1 << endl;int* p2 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 1000);if (p2==NULL){cout << "开辟空间失败" << endl;exit(-1);}p1 = p2;cout << p1 << endl;free(p1);}

run:

  释放内存相关函数（free）

free

void free (void* ptr);
释放ptr指向空间资源

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💫C++语言中动态内存管理方式

  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。

  有痛点才能更加理解C++语言中动态内存管理方式的优势。

#include<iostream>
using namespace std;
class aim
{
public:aim(int temp):_num(temp){}
private:int _num;
};
int main()
{aim* p1 = (aim*)malloc(sizeof(aim));aim* p2 = new aim(100);free(p1);delete p2;return 0;
}

  思考用C的动态内存管理方式你要如何对p1进行管理？
  以C的动态内存管理方式开辟空间不会执行构造函数，对于类的构造函数我们无法显示调用构造函数，但是我们可以用定位new的方式解决初始化问题（见下文），以C的动态内存管理方式释放空间不会调用析构函数清理对象资源，但可以显示调用析构函数清理对象资源。
  但是用C++的动态内存管理方式我们就十分轻松的解决了初始化问题。
new会开辟空间并调用构造函数，delete会调用析构函数清理资源并释放空间。

  ✨new和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int类型的空间int* ptr3 = new int[3];delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;//以下方式在C++11下支持// 动态申请10个int类型的空间，并赋值int* ptr4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};delete[] ptr4;
}

  ✨new和delete操作自定义类型

#include<iostream>
using namespace std;
class aim
{
public:aim(int temp):_num(temp){cout << this << endl;}~aim(){cout << this << endl;}
private:int _num;
};
int main()
{aim* p1 = (aim*)malloc(sizeof(aim));aim* p2 = new aim(100);cout << "p1->" << p1<<endl;cout << " p2 ->"<<p2 <<endl;free(p1);delete p2;return 0;
}

run：
  我们可以清晰的看到用C的动态内存管理方式申请/释放空间不会调用构造函数/析构函数。
  申请多个内存空间

C++11支持用以下方式赋值
aim* p3 = new aim[5]{1,2,3,4,5};

  如果出现报错:无默认构造函数,可用此方式强制生成默认构造函数

aim() = default;

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💫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。
  关于operator new与operator delete函数实现

/*
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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

  通过上述两个全局函数的实现知道，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。
  以汇编语言验证new的底层原理

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💫new和delete的实现原理

   ✨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

  一些疑问？
  为什么new T[N]方括号中要填入具体对象个数N而delete[]的方括号中不需要填入具体的对象个数？
  示例：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
int main()
{vector<int>* v = new vector<int>[10];cout << "V->"<<v << endl;delete[] v;return 0;
}

  我们可以清晰的看到在V的地址之前存储了需要释放空间个数，所以delete[]的方括号中不需要填入具体的对象个数，开辟的空间逻辑图如下：

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💫 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
  使用场景：定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

#include<iostream>
using namespace std;
class aim
{
public:aim() = default;aim(int temp):_num(temp){cout << this << endl;}~aim(){cout << this << endl;}
private:int _num;
};
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aim* p1 = (aim*)malloc(sizeof(aim));new(p1)aim; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~aim();//析构函数可以显示调用但是构造函数不可以显示调用free(p1);aim* p2 = (aim*)operator new(sizeof(aim));new(p2)aim(10);p2->~aim();operator delete(p2);return 0;
}

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