c/c++的内存管理(超详细)

一、c/c++的内存分布

这是操作系统中对于内存的划分：

我们重点掌握以下几个区域即可：

1.栈 (调用函数会建立栈帧)   2.堆(动态开辟的空间)  3.数据段(静态区)：存放静态变量以及全局变量 4.代码段 (常量区)


先来看看一个题目：

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);
}

选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
1. globalVar在哪里？____ 2. staticGlobalVar在哪里？____  3. staticVar在哪里？____
4. localVar在哪里？____ 5. num1 在哪里？____  6. char2在哪里？____
7. *char2在哪里？___  8. pChar3在哪里？____  9. *pChar3在哪里？____
10. ptr1在哪里？____ 11. *ptr1在哪里？_______

分析开始：1. globalVar定义在全局中为全局变量选 C 

2. staticGlobalVa定义在全局中，属于全局静态变量选C   

3.staticVar定义在main函数中的局部静态变量选C 

4. localVar定义在main函数中的局部变量选 A 

5. num1定义在main函数中的局部变量选A  是一个整型指针

6.char2定义在main函数中的局部变量选A  是一个字符指针

7. *char2定义在main函数中的局部变量选A 是一个字符

8. pChar3定义在main函数中的局部变量选A 是一个常量指针 

注意常量指针是指向的内容不变，而指针常量是指向的对象不变

9. *pChar3定义在main函数中的常量选D 是一个字符常量

10.ptr1定义在main函数中的局部变量选A 是一个用来接收动态开辟空间的指针

11. *ptr1是动态开辟的空间在堆区选B

结果是 C C C A A A A A D A B

还要补充几点知识：

1一般而言显示初始式的全局变量一般是自动是0；

2而局部变量没有显式初始化一般都是随机值；

3静态变量必须显式初始化，否则报错

二、c语言内存管理

2.1动态内存函数

void* malloc (size_t size);

1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2. 如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
3. 返回值的类型是void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
4.如果参数size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

void free (void* ptr);

1. 如果参数ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
2. 如果参数ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

 malloc和free都声明在stdlib.h 头文件中。

 这里浅浅举个例子

#include<stdlib.h>
int main()
{int n;scanf("%d", &n);int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * n);if (NULL != p){memset(p, 0,4*n);}free(p); p = NULL;return;
}

这就是一个简单的开辟空间，并且初始化的过程了

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是为num 个大小为size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化0。
与函数malloc 的区别只在于calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0

 

 这样就可以清楚的看到每一个值都被初始化为0

void* realloc (void* ptr, size_t size);

  ptr 是要调整的内存地址，size 调整之后新大小，返回值为调整之后的内存起始位置。

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。


这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1：原有空间之后有足够大的空间，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化

情况2：原有空间之后没有足够大的空间，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小
的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。当然它会把原来的数据拷贝到新的空间并且会自动删除原有空间

情况3：我们直接记住使用realloc时，有可能开辟失败，如果直接让原来的指针接收会有内存泄漏，所以使用realloc时要多加一个变量

int *p=(int *)malloc(20);int *ptr=(int *)realloc(p,40);if(NULL==ptr){perror("realloc fail");}else{p=ptr;}

2.2 常见的内存错误

 1 对NULL指针的解引用操作 

int *a=NULL;
*a=20;//error
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);//这里开辟的空间挺大的
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);}

2 对动态开辟空间的越界访问

int *a=(int *)malloc(sizeof(int)*100);
a[100]=10;//越界了

3 对非动态开辟内存使用free释放

int a=10;int *p=&a;free(p);

4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int *a=(int *)malloc(sizoef(int)*20);free(a+10);

 5 对同一块动态内存多次释放

int *p=(int *)malloc(sizeof(int)*10);free(p);free(p);

6. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

int Test()
{
int *p=(int *)malloc(sizeof(int)*10);return *p;
}
int main()
{
printf("%d",Text());
}

2.3 经典笔试题

判断下面程序的结果

第一个

void GetMemory(char* p)
{p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);
}
int main()
{Test();return 0;
}

分析：str首先是一个空指针，通过传值传参产生的临时变量被分配了空间，但是str并没有改变

所以这里存在内存泄漏。并且最终还打印null指针这个会导致程序崩溃。

第二题

char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{Test();return 0;}

分析：这里是出现了野指针问题，str接收到了一个没有被编译器使用的的空间，此时这种行为是未定义的，在vs里出现了乱码，但是程序没有崩溃。

代码为0就是程序正常结束

 第三题

void GetMemory(char** p, int num)
{*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);
}
int main()
{Test();return 0;

分析：这个代码看起来没有问题，实际上，他只是没有free掉空间，仅此而已，程序没有崩溃，但是存在内存泄漏。

第四题 

void Test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}
}
int main()
{Test();return 0;
}

分析：不过这个就要分情况了

1.如果str开辟失败，str为空，调用strcpy会导致程序崩溃，但是此时没有内存泄漏(一般不会失败)

2.如果开辟成功，str不为空，但是后面会free掉，此时str为野指针，此时再次strcpy会把不属于程序的空间变成world，(当然这个是未定义的行为,取决于编译器)结果就打印了world了

虽然看起来能跑，但是这是错误程序

三、c++内存管理

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

 3.1 new/delete操作内置类型

直接看使用

int main()
{//开辟一个空间，初始化为10int* p1 = new int(10);//开辟一个空间不初始化int* p2 = new int;//开辟十个空间半初始化int* p3 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5, 6};//开辟空间十个空间不初始化int* p4 = new int[10];//清理空间，一个空间不加[] ,多个空间加上[],一定要配套使用delete p1;delete p2;delete[]p3;delete[]p4;return 0;
}

直接说结论：对于开辟一次空间，初始化为初始化值，不初始化为随机值

对于开辟数组，初始化为初始化的值，初始化一半剩下值自动初始化为0，不初始化，全部为随机值

注意要配套使用哦！！！当然对于内置类型而言配不配套都不影响，但是要养成好的代码习惯

这里还是举个例子至于为什么，后续再说

int main()
{char* ch0 = new char;char* ch1 = new char[10];char* ch3 = (char*)malloc(1);char* ch4 = (char*)malloc(10);free(ch0); free(ch1); delete ch3; delete[]ch4;
}

我们这么乱配套除了有警告之外，程序是没有问题的 

3.2 new和delete操作自定义类型

我们先构造一个类以便后续操作：

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
//这里是一个有析构和构造的类

1. 调用new以及delete时会使用构造和析构

看结果，可以知道new和delete多了一个构造和析构，这也是与malloc和free的最大区别

对于自定义类型构造和析构是很重要的

2. new[] 和delet [] 与new delete的区别

加上一个[]只不过是开辟更多的空间以及调用多次构造与析构而已！

3.3 new 和delete的原理

1 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。

 下面是operator new的实现逻辑

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);
}

总结：operator new的底层是malloc

下面是operator delete的实现逻辑

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;
}
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK

实际上operator delete的底层也是free();

2.new和delete实现的功能

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

3. 同理对于new[N] 来说，它会调用 operator new[]在operator new[]中实际调用operator new 函数完成N个对象空间的申请,以及构造N个构造函数

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

3.同理对于delete[]来说：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

 3.4 抛异常

使用catch try捕获异常

int main()
{while (1){static int n = 1;//1MBtry {int* a = new int[1024 * 1024];cout << a << "  " << n << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl; break;}++n;}return 0;
}

运行一下大概是7161*4MB的内存，不过反过来也可以使用这种方法来估算内存

我们可以算一算大概给了多少内存：27.984375

这个是虚拟内存实际比这个要小

重点还是抛异常是c++应对内存开辟失败的处理方法

3.5 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。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
// 定位new/replacement new
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A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

四、总结

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：
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
空间中资源的清理释放

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