【c++】内存管理

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？_C_ staticGlobalVar在哪里？_C_

staticVar在哪里？_C_ localVar在哪里？_A_

num1 在哪里？_A_

char2在哪里？_A_ *char2在哪里？_A_

pChar3在哪里？_A_ *pChar3在哪里？_D_

ptr1在哪里？_A_ *ptr1在哪里？_B_

2. 填空题：

sizeof(num1) = _40_;

sizeof(char2) = _5_; strlen(char2) = _4_;

sizeof(pChar3) = _4or8_; strlen(pChar3) = _4_;

sizeof(ptr1) = _4or8_;

3. sizeof 和 strlen 区别？

sizeof是一个运算符，它用于计算对象或类型所占的字节数。无论是变量、数组、结构体还是数据类型，sizeof都可以返回其占用的内存大小。

strlen则是一个函数，只用于计算字符串的长度。它接受一个char*类型的参数，即字符串的起始地址，然后遍历字符串直到遇到空字符'\0'为止，返回的是字符串中字符的个数，不包括结尾的空字符。

当用于计算字符串时，sizeof返回的是整个字符串（包括结尾的空字符'\0'）在内存中占用的字节数。

strlen返回的是字符串中字符的个数，这是一个有符号整数类型（通常为int）。它不计算结尾的空字符'\0'。

说明：

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。

2、C语言中动态内存管理方式：malloc、calloc、realloc区别

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 这里需要free(p2)吗？不需要，realloc会将原始指针释放
	free(p3);
}

2.1malloc

函数原型：

void* malloc(unsigned size);

malloc函数用于在堆内存中分配指定字节数的内存。它接受一个参数，即需要分配的字节数，并返回一个指向分配的内存的指针。如果内存分配成功，则返回非空指针；否则返回NULL。

malloc只负责分配内存，不初始化内存，所以分配的内存中的内容是未定义的。

2.2calloc

函数原型：

void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement);

calloc函数也用于在堆内存中分配内存，但它有两个参数：第一个参数是需要分配的元素的数量，第二个参数是每个元素的大小。与malloc不同，calloc会初始化分配的内存为零。

2.3realloc

函数原型：

void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);

realloc函数用于改变已分配内存的大小。它接受两个参数：一个是指向已分配内存的指针，另一个是需要的新内存大小（以字节为单位）。realloc尝试在堆上找到一个足够大的连续内存块来容纳新的内存大小，并返回指向新内存块的指针。如果找不到足够大的连续内存块，realloc可能会失败并返回NULL。

需要注意的是，当使用realloc时，如果它返回一个新的内存地址（即与原始指针不同的地址），则原始指针指向的内存块会被释放。因此，在使用realloc后，应始终使用返回的指针来访问内存，而不是原始的指针。

2.4总结

malloc：只分配内存，不初始化。
calloc：分配并初始化内存为零。
realloc：改变已分配内存的大小。

3、new/delete和malloc/free的区别（重点）

c++内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1new/delete操作内置类型

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

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[]，匹配起来使用。

对于内置类型，new/delete和malloc/free几乎一样。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
	}
	cout << "~A():" << this << endl;
private:
	int _a;
};
int main()
{
	// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	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。

3.3 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。

区别：

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

4、new和new[]的底层实现原理

4.1operator 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。

4.2new和delete的实现原理

4.2.1 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。

4.2.2 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

5、越界和野指针问题

5.1越界

越界：通常发生在访问数组、字符串或其他数据结构时，访问了超出其有效范围的元素。这可能导致程序出错或产生不可预测的结果。

5.2野指针

野指针：是指指向无效内存地址的指针。这可能是由于指针在使用后没有被正确地设置为NULL，或者在释放内存后仍然被使用。
指针变量未初始化。创建指针变量时，如果没有将其置为NULL或指向合法的内存单元，那么这个指针变量就可能指向任何随机的内存地址，成为一个野指针。
指针变量直接释放后没有置NULL。当释放指针指向的内存后，如果没有将指针置为NULL，这个指针仍然保留原来的内存地址，但此时这块内存可能已经被系统分配给其他程序使用，这个指针就变成了野指针。
指针变量超越了其指向变量的作用范围。这种情况下，指针所指向的变量已经不存在，但指针仍然保留原来的地址，如果对这样的指针进行操作，就可能导致不可预料的后果。