【C++第五课-C/C++内存管理】C/C++的内存分布、new/delete、new和delete的实现原理

C/C++的内存分布

频繁的new/delete堆容易产生内存碎片，栈上则没有这个问题（因为是连续分配）
栈是先进后出，先进的在内存地址大的
堆无法静态分配，只能动态分配
栈可以通过函数_alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放
不同的数据有不同的存储需求，内存的个区间划分为了满足这些不同的需求
1、临时用（局部变量、数组等） - > 栈
2、动态使用（数据结构、算法中需要动态开辟一些空间） - > 堆
3、整个程序期间都要使用（全局变量，静态变量） - > 静态区/数据段
4、只读数据（常量、可执行代码） - > 代码段/常量区
可执行代码是指二进制代码（电脑可以看懂的那个）
咱写的那个代码存在磁盘上（存在文件中）

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);
}
选择题
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？____
4、num1 在哪里？____
5、char2在哪里？____ 6、*char2在哪里？___
7、pChar3在哪里？____ 8、*pChar3在哪里？____
9、ptr1在哪里？____ 10*ptr1在哪里？____
填空题：
11、sizeof(num1) = ____;
12、sizeof(char2) = ____;  13、strlen(char2) = ____;
14、sizeof(pChar3) = ____; 15、strlen(pChar3) = ____;
16、sizeof(ptr1) = ____;

1、C globalVar是全局变量 - 在静态区
2、C staticGlobalVar是静态全局变量 - 在静态区
3、C staticVar是静态变量 - 在静态区
4、A num1是数组名指的是首元素地址 - 在栈上
5、A char2是数组名 - 在栈上
6、A *char2指向的是根据常量字符串创建的数组 - 在栈上
7、A pchar3是指针 - 在栈上
8、D *pchar3是值得常量字符串 - 在常量区
9、A ptr1是指针 - 在栈上
10、B *ptr1是指针指向的那块动态开辟的空间 - 在堆上

11、40
12、5
13、4 （strlen不算\0）
14、4/8
15、4
16、4/8

补充
1、下面三者的相同点与不同点

相同的：生命周期都是全局
不同点：作用域不同。globalVar是所有文件都可以使用；staticGlobalVar是只能当前文件使用；staticVar是只能在Test函数里面使用
2、const
（1）const char* pChar3 = "abcd" const修饰的是pChar3所指向的内容不能改变
（2）char* const pChar3 = "abcd" 这个const才是修饰pChar3这个指针的内容不能被修改
（3）const int n = 10 n是常变量
3、字面量
10、‘x’、“111111111”、1.1
4、calloc：开辟空间并初始化为0

new/delete

new

内置类型使用new

使用方法：new+类型
new对于内置类型不会初始化, 初始化（一个数据用()，多个数据用{}）

//申请一个int空间
int* p1 = new int;
int* p2 = new int[3];

//初始化
int* p3 = new int(3);
int* p41 = new int[3]{1, 2, 3};
int* p4 = new int[10]{1, 2, 3};//不用10个都初始化，前三个是123，后七个是0

//释放
delete p1;
delete[] p2;
delete p3;
delete[] p41;
delete[] p4;

自定义类型使用new

malloc不方便解决动态申请的自定义类型对象的初始化问题
new：1、开空间； 2、调用构造函数

new失败

new失败了会抛异常，异常必须被捕获（继承和多态讲）
出错了之后会直接到捕获的地方（往catch的地方跳）

delete

内置类型使用delete

使用方法：new的就用delete；new[] 的就用delete[]

自定义类型使用delete

delete：析构函数 + 释放空间

new和delete的实现原理

new：operater new + 调用构造函数
delete：调用析构函数 + operater delete

operater new：封装了malloc，加了个出错时的报错机制
operater delete：封装了free，加了个出错时的报错机制
operater new和operater delete是函数，new和delete是操作符

new[] 和delete[]的补充知识

class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(nullptr)
		,_top(0)
		,_capacity(capacity)
	{
		_a = new int[capacity];
	}
	~Stack()
	{
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

int main()
{
	Stack* p3 = new Stack[10];
	delete[] p3;
	return 0;
}

1、new[]的底层
因为p3指向的是个数据，空间上是连续的，因此new只调用了一次

2、new Stack[10]这个开辟的大小本应该120，但实际上是124
（1）new[]偷偷在最前面开了4字节放-- 一共开的对象数目

（2）delete[] 就会先将指针向前移动4字节，然后根据其内容知道是调用10次析构函数
（3）正是由于（2）条，delete时就不会将指针向前移动四个字节，因此报错
（4）但有时即使像（3），但也不会报错

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}
	A(const A& i)
	{
		_a = i._a;
		cout << "A(const A& i)" << endl;
	}
	/*~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}*/
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p2 = new A[10];
	delete p2;
	return 0;
}

原因：
因为A没有析构函数，所以系统任务A的对象没有什么可析构的，调不调析构函数都可以，因此在new[]时会进行优化，直接不创建最前面的四个字节来显示一个创建了几个A对象
因此在delete的时候本来就不需要向前移动四个字节，所以不会报错

定位new（了解）

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

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

int main()
{
	A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
	//定位new去调用构造函数，构造函数不能显示调用
	new(p3)A(1);
	//析构函数可以显示调用
	p3->~A();


	return 0;
}

定位new去调用构造函数，构造函数不能显示调用
析构函数可以显示调用

虽然上面的两行相当于new，一般情况下我们会用new（方便）
特殊情况我们也会用那两行
频繁申请小对象是，需要频繁的去堆上开辟空间 – 池化技术，内存池

内存池
1、内存池申请对象空间
2、定位new显示调用构造函数
3、释放对象：显示调用析构函数，将内存还回内存池

常见面试题

用法+原理
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