C++ ─── 内存管理

1 . C / C++内存分布

我们先看下面的一段代码和相关问题

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";

	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) = ____;

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__

  分析:

          globalVar全局变量在数据段 staticGlobalVar静态全局变量在静态区

          staticVar静态局部变量在静态区  localVar局部变量在栈区

          num1局部变量在栈区

          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__

  分析:

          char2局部变量在栈区

          char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上

          pChar3局部变量在栈区   *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

          ptr1局部变量在栈区     *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

2. 填空题：

          sizeof(num1) = __40__;//数组大小,10个整形数据一共40字节

          sizeof(char2) = __5__;//包括\0的空间

          strlen(char2) = __4__;//不包括\0的长度

          sizeof(pChar3) = __4__;//pChar3为指针

          strlen(pChar3) = __4__;//字符串“abcd”的长度，不包括\0的长度

          sizeof(ptr1) = __4__;//ptr1是指针

【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，栈底地址高，栈顶的地址低。

        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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）

        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/free

void Test ()
{
 int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
 free(p1);
 
 // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
 int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
 int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
 
 // 这里需要free(p2)吗？
 free(p3 );
}

【面试题】

1. malloc/calloc/realloc的区别？

2. malloc的实现原理？【CTF】GLibc堆利用入门-机制介绍_哔哩哔哩_bilibili

3. C++内存管理方式

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

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[]，注意：匹配起来使用。

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);
    //可以进行初始化，本质是1进行对类型A进行隐式类型转化产生的临时对象
     A* p6 = new A[10]{1,2,3,4};
     free(p5);
     delete[] p6;

    //多参数的隐式类型转换
    Date* p8=new Date[6]{{2024,4,26},{2024,5,1}};
    delete[] p8;
 
     return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new=opeartor new+构造函数，delete=析构函数+operator delete，而malloc与free不会。

下面有关malloc和new，说法错误的是？ ( )

A.new 是创建一个对象(先分配空间，再调构造函数初始化)， malloc分配的是一块内存

B.new 初始化对象，调用对象的构造函数，对应的delete调用相应的析构函数，malloc仅仅分配内存，free仅仅回收内存

C.new和malloc都是保留字，不需要头文件支持

D.new和malloc都可用于申请动态内存，new是一个操作符，malloc是是一个函数

A.new会申请空间，同时调用构造函数初始化对象，malloc只做一件事就是申请空间

B.new/delete与malloc/free最大区别就在于是否会调用构造函数与析构函数

C.需要头文件malloc.h,只是平时这个头文件已经被其他头文件所包含了，用的时候很少单独引入，故错误

D.new是操作符，malloc是函数

4. operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

4.1 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。

下面的代码，我们看不太懂，我们只需要理解operator new是对malloc的封装，加入了失败会抛异常的功能，而operator delete 是对free的封装。

/*
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;
}
 
/*
    free的实现
*/
    #define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

5. new和delete的实现原理（以上总结）

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

         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