C/C++内存管理

本篇主要希望通过对C语言内存管理的复习来浅层理解C++中的内存管理

目录

1.C语言内存管理方式

2.new/delete

2.1针对内置类型

   2.2针对自定义类型 

3. operator new与operator delete函数

 理清楚new和delete  与 构造函数和析构函数的区别 

不建议malloc、free和new delete混用，否则可能崩溃：

崩溃之谜

4.定位new的位置(placement-new)

5.内存管理中的易错点

1.C语言内存管理方式

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在哪里？____   staticGlobalVar在哪里？____
   staticVar在哪里？____   localVar在哪里？____
   num1 在哪里？____
   char2在哪里？____   *char2在哪里？___
   pChar3在哪里？____      *pChar3在哪里？____
   ptr1在哪里？____        *ptr1在哪里？____
2. 填空题：
   sizeof(num1) = ____;   
   sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
   sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
   sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？*/

答案如下：

globalVar是全局变量，在数据段，4字节

staticGlobalVar是全局静态变量，在数据段，4字节

staticVar是静态变量，在数据段，4字节

localVar是局部变量，在栈上，4字节

num1是栈上开辟的数组名

char2是在栈上开辟的，其指向的内容是从常量区的常量字符串"abcd/0"拷贝到栈中的

作为一个指针，32位环境下是4字节

*char2在栈上，大小为5个字节（包括/0）

pChar3在栈上，*pChar3在常量区

ptr1在栈上，*ptr1在堆上

填空：

10*4    5     4      4（32位）     4      4

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

在之前的对内存的学习中，我们对内存有如下理解，现在我们进行回忆：

1.对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制。

2.对于栈来讲，生长方向是向下的，也就是向着内存地址减小的方向；对于堆来讲，它的生长方向是向上的，是向着内存地址增加的方向增长。

3.对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题。

“分区的目的是为了更高效的分类管理”

需要稍微强调一下的是代码段部分的“只读常量”。

被const修饰过的变量任然是 变量 ：

          const int a=0;中的a,任然在栈中，而不在代码段中，

          const int* p="abcdefg"中的abcdefg才在常量区中。并且，如果像上文题目中的char2那样定义，还会将常量区的只读字符串拷贝一份到栈中char2对应的位置上。

如果像pchar3一样作为指针指向该常量区，那么该字符串不会拷贝。我们可以通过打印地址观察pchar3和char2对应的空间，差距还是比较大的。因为常量区字符串具有常性，所以必须用const修饰pchar3，避免权限放大的问题

       回忆：如果此时再定义一个:

 const char* pChar4 = "abcd";

那么，pChar4和pChar3其实指向的是同一块常量区的空间。

2.new/delete

new和delete不是函数，而是两种操作符。

2.1针对内置类型

对于内置类型，new与malloc/calloc等区别不大，都是开辟空间然后初始化。

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。

其实，作为内置类型，new了一个数组之后用delete  delete[]  free都能成功清理，不会报错。

   2.2针对自定义类型 

     如果按照C语言的方法，使用malloc开辟自定义类型的空间却有大问题：无法初始化。

                                 （很多成员都被private修饰，初始化很困难）

因此new的本质是对malloc的一种封装：

new会先开辟空间，再去调用他的默认构造或者传参构造

new除了开空间，还能调用构造函数。这样，一个自定义类就能在定义时被初始化，更符合使用规范的生成。

同理，delete除了会有free的封装，还会调用析构函数

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

也可以用自定义类型实现数组，但是语法规则稍有变化： 

再申请5个空间后，可以直接通过花括号赋值，没有传参的部分会按照默认构造函数进行初始化。可以通过调试观察。

class A {
private:
	int _a;
	int _b;
public:
	/*A(int a, int b)
		:_a(a),
		_b(b)
	{
		cout << "A(int a,int b)" << endl;
	}*/
	/*A(int a)
		:_a(a),
		_b(2)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}*/
    //为了避免调用歧义而注释掉
 
	A(int a=1,int b=99)
		:_a(a),
		_b(b)
	{
		cout << "int a=1,int b=99" << endl;
	}
 
	A(const A& a)
		:_a(a._a),
		_b(a._b)
	{
		cout << "A(const A& a)" << endl;
	}
	
};
 
int main() {
 
	A* pa = new A[5]{ 1,2,3 };
	delete[] pa;
	
	return 0;
}

 前三个我们只传了_a，所以_b使用默认值，后两个什么都没传，所以全使用默认值。

也可以使用拷贝构造、中括号多参数、隐式转换等方式赋值：

 观察如下代码：

p4数组的十个对象中，三个调用拷贝构造，七个调用默认构造。

可以用匿名对象传参，也可以直接使用隐式类型转换：

多参数也支持：

new对自定义类型的操作是C语言无法比拟的。

不过C++在扩容上没有renew的概念，都需要手动扩容。

 下面我们再进一步的学习new和delete的运行逻辑。

3. operator new与operator delete函数

这是库中写好的两个全局函数。

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。

也就是说：

new的底层是operator new+构造函数

delete的底层是析构函数+operator delete

而目前为止，我们可以认为operator是对malloc的封装，operator delete是对free的封装 

 理清楚new和delete  与 构造函数和析构函数的区别 

     我们调用一个int类型的栈，该栈中有一个数组指针，指向堆区动态开辟的数组。

operator new开辟的是_a _top _capacity

而栈内部的构造函数就会去开辟数组空间。

析构函数释放的是我们申请出的、需要手动释放的资源，比如此处我们刚刚动态开辟的栈。

然后operator delete会释放 _a _top _capacity 。

（并不代表operator delete/new只能开辟内置类型，析构函数中同样使用的是delete和new）

delete相对free的优点：

以前需要检查开辟空间是否成功，现在不需要检查

new如果失败了就会抛异常，并且不会执行之后的new语句。

总结，operator new就是  malloc + 失败抛异常，new是operator new + 构造函数，new比malloc多做了很多事情，功能更加全面，是对malloc的高效封装；operator delete 就是对free的封装，delete就是operator delete + 析构函数

不建议malloc、free和new delete混用，否则可能崩溃：

除了有operator new/delete函数，语法规定，还有operator new[]和operator delete[]函数。

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N次 operator delete 来释

放空间。

3.至于如何得到N，会在后文中说明。

崩溃之谜

class A {
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 1)" << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a = 0;
};

                                    

                                       

                         

A* p2 = new A[10];
free(p2);

A* p2 = new A[10]{};
delete p2;

这个  个数 的目的是为了让编译器知道该调多少次析构函数。

free/delete就不会去使用这个个数，但是 delete[ ]  就会从给的这个地址往前找四个字节拿到  个数

再调用  个数 次

所以此处不仅free会报错，delete也会报错，他们两个都不会向前移动四个字节去找个数，都会当作只有一个对象来操作。但是delete[ ]就不会报错，因此delete[ ]必须要和new [ ]搭配使用。

但如果我们不显示的实现析构，编译器会认为此时没有 必须使用析构（除了此处的A是为了教学的目的，大部分时候确实有需要手动释放的资源才会显式实现析构函数）才能释放的资源，不会多在数组前面加 个数，使用free和delete也就不会报错

                          

因此，有显式实现析构函数，A的大小是44，没有显示实现析构，大小就是40。

结论：不要错配使用，否则，可能会内存泄漏，也可能程序崩溃。

4.定位new的位置(placement-new)

如果我们希望显式手动调用析构、构造函数时，有如下场景：

或者在线程池（不了解可以略过）中：

或者使用operator new而非new中（operator new的用法和malloc是相似的）：

不允许这样显式调用构造函数。

等价并且合规的做法是：

A* p3 = (A*)operator new (sizeof(A));
A* p4 = (A*)operator new (sizeof(A));
//p3->A();
new(p3)A;
new(p4)A(5);

可以在类型名后面调用默认构造，也可以传参构造、拷贝构造等。 

                                          用循环就可以初始化很多个变量

定位new主要用于对先malloc或者直接operatoe new出的已有空间的对象进行构造，也就是对无法自动调用构造函数的开辟空间的方法进行构造。

本质上：

new和delete就是对以上功能的封装，当前阶段我们直接使用new/delete即可。

在内存池的使用中，定位new就有使用价值。

5.内存管理中的易错点

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

7.栈可以动态、静态分配，但是 堆 只能动态分配。

8.变量都遵循先使用后销毁，静态变量也是如此。