【C/C++的内存管理】

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前言

本文章将深入探索C/C++的内存管理模式以及区别。

🍕1. C/C++内存分布

C/C++的内存分布有几大块区域：内核空间，栈区，内存映射段，堆区，数据段，代码段等等。

在这里插入图片描述

1.1有关C/C++的一道题目

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);
}

  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？

完成上面题目：将会在文末揭晓答案。

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

在c语言学习到的动态内存管理中，一般会使用到几个函数：malloc/calloc/realloc函数，专门用来向堆区申请空间，而free函数用来归还申请的空间。

面试题：malloc/calloc/realloc函数的区别

malloc：在c语言中，malloc函数是直接向堆区申请空间，如果申请失败，返回NULL，如果申请成功，返回申请到的空间的起始地址，对空间不做处理；

calloc：calloc函数同样是向堆区申请空间，如果申请失败返回NULL，但如果申请成功，不仅会返回申请到的空间的起始地址，还会将该空间进行初始化；

realloc：对于realloc函数，这个函数的申请空间方式有两种：（1）如果是新申请一块空间，其作用跟malloc函数没有区别；（2）如果是需要扩大申请的空间，那么realloc函数会根据内存的容量来做出两个决定的其中一个：1>如果原来的空间后面还有足够的空间满足我们，那么realloc函数就会返回原来申请的空间的地址，但是已经扩大了申请的空间大小，这个叫做原地扩容；2>如果在原来的空间之后没有足够的空间，编译器会在其他地方重新找一块满足要求的空间，并将原空间的内容拷贝到新的空间，并且将原来的空间归还给操作系统，然后返回新的空间的起始地址。

🍕3. C++内存管理方式

C++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

int main()
{
	int* pa = new int(10);
	int* parr = new int[10]{0};

	delete pa;
	delete [] parr;
	return 0; 
}

如果要申请一个整型大小的空间，语法：

new 类型(初始化)
小括号内是初始化的内容
返回值为一个指针

如果要申请一个数组大小的空间，语法：

new 类型[数组大小]{初始化内容}
返回值为一个指针

如果要释放一个内置类型，直接

delete 指针名

如果要释放一个数组空间，

delete [] 指针名

3.2 new和delete操作自定义类型

对于自定义类型：

new：申请空间 + 调用构造函数

delete ：调用析构函数 + 释放空间

下面来验证结论：

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

int main()
{
	A* a = new A(1);
	
	delete a;
	return 0; 
}

对于new申请自定义类型，会先调用operator new函数，再调用构造函数。
在这里插入图片描述

对于delete，释放自定义类型空间时候，会先调用析构函数，再调用operator delete函数。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
（新版本的VS编译器将operator delete更进一步地封装了）

在这个过程提到了operaotr delete和operator new两个函数，它们具体是什么，下面会详细地讲述。

🍕4. operator new与operator delete函数（重点）

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。

对于他们的原型如下:

/*
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 bytes
void *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_FINALLY
  return;
}

通过operator new 和operator delete 全局函数在库里面的实现可以知道，operator new的实现其实也是调用malloc函数， operator delete的实现也是调用free函数。

🍕5. new和delete的实现原理(重点)

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函数完成空间的申请，在申请的空间上调用构造函数，完成对象的构造。
delete的原理：
先调用对象的析构函数完成对象内资源的清理工作，再调用operator delete函数完成对对象空间的释放
new T[N]的原理：
调用operator new[]函数，再operator new[]函数中调用N次operator new函数完成空间的申请， 并且每次调用operator new后会调用对象的构造函数完成对象的构造。
operator delete T[N]的原理：
先调用多次析构函数对对象内资源的空间进行释放，再调用operator delete[]函数，其中operator delete[]内又多次调用operator delete函数对对象的资源进行释放。

下面给一个例题感受一下：

class Stack
{
public:
	Stack(size_t capacity = 10)
	{
		_array = (DataType*)malloc(capacity * sizeof(DataType));
		if (nullptr == _array)
		{
			perror("malloc申请空间失败");
			return;
		}
		_size = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	
	void Push(const DataType& data)
	{
		// CheckCapacity();
		_array[_size] = data;
		_size++;
	}
	
	~Stack()
	{
		if (_array)
		{
			free(_array);
			_array = nullptr;
			_capacity = 0;
			_size = 0;
		}
	}
	
private:
	DataType *_array;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

在对栈的操作时，首先调用operator new函数申请一块空间作为栈对象的空间。其次调用构造函数，完成对象内数组的申请。
在资源释放时，会先调用析构函数，释放对象内的数组空间，然后在调用operator delete函数释放对象的空间。

在这里插入图片描述

🍕6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

定位new表达式是对一个未初始化的对象显式地调用构造函数。
这是new关键字的另一种玩法。

使用方法：

new(对象指针)+类名

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);

这个就是定位new的用法。
定位new通常与内存池配合使用，因为向内存池申请的空间不会初始化，如果是自定义类型，需要显式地调用构造函数进行初始化

🍕7. 常见面试题

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：

  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

🍕8. 内存泄漏

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

平常时一定要注意内存泄露的问题，申请的资源空间一定要及时释放。

本文开头题目答案

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THE END
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