C++入门之内存管理

C++入门之内存管理

1. C/C++中程序在内存中的区域划分

• 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(从高地址向低地址增长)
• 堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的(从低地址向高地址增长)
• 数据段(静态区)：存储全局数据和静态数据。
• 代码段(常量区)：可执行的代码/只读常量
  

1. globalVar 和 staticGlobalVar 是全局变量，staticVar 被 static修饰，是静态变量，全局变量和静态变量位于数据段(静态区)
2. localVar num 等等都是局部变量，位于栈上
3. “abcd” 为常量字符串，是不可修改的，只读，位于代码段(常量区)
4. malloc动态申请的空间，位于堆上

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

  简单回顾以下C语言中动态内存管理的方式

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)); //不会初始化
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4,sizeof(int) );//会将数据初始化为0
	int* p3 = (int*)realloc(p3, sizeof(int) * 10);//重新分配内存
	free(p3);

	return 0;
}

区别：malloc不会初始化空间，而calloc会将空间初始化为0，而realloc则是重新分配空间

3. C++中动态内存管理方式：new/delete

  C语言中的方式依旧可以使用，C++中提出了新的方式new和delete操作符进行动态内存管理

• 对于内置类型

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* p1 = new int;//开辟一个int的空间
	int* p2 = new int(10);//开辟一共int的空间并初始化为10
	
	int* p3 = new int[10] {1,2,3,4};//开辟10个int的空间，且初始化前4个，剩下的则初始化为0

	delete p1; //释放一个int的空间
	delete p2;
	delete[] p3;//释放多个int的空间
	
	return 0;
}

• 对于自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int x = 10)
		:_a(x)
	{
		cout << "A(int x = 10)" << endl;
	}
	A(int x, int y)
		:_a(y)
	{
		cout << "A(int x, int y)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;

	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = new A; //调用默认构造
	A* p2 = new A(1); //传值调用默认构造
	A* p3 = new A(1,2); //调用两个参数的构造

	A* p4 = new A[10]{ 1,2,3,{4,5} };//可以调用默认构造和普通构造混着来，剩下的则调用默认构造，共调用10次构造

	//调用析构
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
	delete[] p4; //调用10次析构
	return 0;
}

与C语言中的最大区别：

  malloc calloc realloc和new delete在处理内置类型时，几乎是一样的，但是在处理自定义类型时，newdelete除了开辟/释放空间，还会调用类的默认构造和析构函数

• new T [n]

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int x = 10)
		:_a(x)
	{
		cout << "A(int x = 10)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p2 = new A[10];  //可能会多开辟4个字节的空间 44 or 40
	delete[] p2;

	return 0;
}

  在上述代码中，有析构函数时，可能会多开辟4个字节的空间，多开辟的4个字节空间用来存储对象的个数，方便在delete[]时，知道有几个对象，需要调用几次析构函数

• new 和 delet 应当配对使用，否则结果是不确定

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int x = 10)
		:_a(x)
	{
		cout << "A(int x = 10)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	int* p1 = new int[10]; //40
	free(p1);//没问题，但是不建议

	A* p2 = new A[10];  //44 or 40
	free(p2);//程序奔溃

	return 0;
}

  由于类中存在析构函数，可能会多开辟4个字节的空间来存储对象的个数，使用delete[ ]时，会从多开辟的位置开始释放，而free不会，free的位置错误，导致程序奔溃

4. operator new与operator delete函数

 newdelete是动态内存申请和释放的操作符，而operator new与operator delete是两个全局函数，operator new与operator delete不是重载的newdelete

• new在底层是通过operator new这个全局函数来申请空间的
• delete在底层是通过operator delete这个全局函数来释放空间的

//operator new operator delete的源码
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);
}
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;
}

简单来说：

• operator new实际上是通过malloc来申请空间的，不过malloc失败时是返回的是空指针，且需要检查是否申请空间成功，而operator new失败后则会抛出异常，比返回空指针更直观，operator new相当于是malloc的封装 + 失败抛出异常
• operator delete实际上是通过free来释放空间的，是与 operator new完成一个配对

5. new和delete的实现原理

• new

  1. 先调用operator new函数（调用malloc）来申请空间，失败则抛出异常
  2. 再调用类的构造函数，完成对象的构造

• delete

  1. 先调用类的析构函数，完成类中对象的资源清理
  2. 再调用operator delete函数（调用free）来释放空间

• new T[N]

  1. 先调用operator new[] 函数（实际调用operator new）来申请空间,完成对N个对象的空间申请（一次完成）
  2. 再在申请的空间上调用N次构造函数

• delete[]

  1. 先调用N次析构函数，完成N个对象的资源清理
  2. 再调用operator delete[] 函数（实际调用operator delete）来释放空间

6. malloc/free和new/delete的区别

• 1. malloc/free是函数，而new/delete是操作符
• 2. malloc的返回值为void*，需要强转使用，而new不需要，new后跟的空间的类型
• 3. malloc/free开辟的空间不会初始化，而new/delete可以初始化
• 4. malloc/free开辟空间时需要手动计算大小， new只需开辟在[]指定数量
• 5. malloc开辟的空间失败时，返回一个空指针，因此使用前需要判断是否为空，而new失败后会抛出异常，只需捕获异常
• 6. 在处理自定义类型时， malloc/free只会开辟/释放空间，而
     new在开辟空间后，还会调用构造和析构， delete在释放空间前，还会调用析构