C/C++内存分布

我们先来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);
}
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【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。（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。

C语言中动态内存管理方式

• 运用malloc/calloc/realloc等来申请空间，使用free来销毁,那么malloc、calloc、realloc有什么区别？

1、malloc的函数原型是void* malloc(size_t size)；它实现的功能是在内存的动态存储区分配一块长度为size字节的连续区域，参数size为需要的内存空间的长度，返回该区域的地址，它不能初始化所分配的内存空间，需要用memset，但函数calloc可以，若这部分空间曾经被分配过，可能产生遗留问题。
2、calloc的函数原型是void* calloc(size_t num,size_t size)；它实现的功能与malloc类似，参数num为参数个数，size为申请的地址的单位元素长度；它会将所分配的空间中的每一位都初始化为0；
3、realloc的函数原型是void* realloc(void* ptr,size_t size)；它实现的功能是给一个已经分配地址的指针重新分配空间，参数ptr为原有的空间地址，size是重新申请的地址空间大小，realloc不保持调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址，返回的指针很可能指向新的地址
这几个函数的实现原理：
malloc和calloc是将一块可用的内存连接成一个链表，调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块，然后将该内存块一分为二（一块与用户申请的大小一样，另一块是剩下的字节），将分配给用户的内存地址传给用户，调用free函数，将用户释放的内存块连接到空链上，最后空闲链表会被分成很多小内存片段。reallo是如果size小于原本的size，就是缩小内存空间，而相反如果扩大内存空间realloc所做的事是重新申请内存块，将原空间内容拷贝到新空间，释放旧空间，返回新空间。

总结：

1. malloc：堆上申请内存空间，随机值；
2. cmalloc：堆上申请内存空间并初始化为0；
3. relloc：追加开辟内存空间，如果空间不足，将重新开辟一整块空间并将所有数据拷贝后返回新地址。

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。

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[3];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}
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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[]

new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:
	Test()
		: _data(0)
	{
		cout<<"Test():"<<this<<endl;
	}
	~Test()
	{
		cout<<"~Test():"<<this<<endl;
	}
private:
	int _data;
};

void Test2()
{
	// 申请单个Test类型的空间
	Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
	free(p1);
	// 申请10个Test类型的空间
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizoef(Test) * 10);
	free(p2);
void Test2()
{
	// 申请单个Test类型的对象
	Test* p1 = new Test;
	delete p1;
	// 申请10个Test类型的对象
	Test* p2 = new Test[10];
	delete[] p2;
}
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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。

new会先申请空间，后调用构造函数
delete会先调用析构函数，后释放资源

建议malloc与free配合使用，new和delete配合使用，否则可能会产生一些问题，例如：内存泄漏，代码崩溃等

new和delete的实现原理

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。

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

operator new与operator delete函数：

new是先申请空间（operator new）循环使用malloc（count）来申请空间，再调用构造函数，构造对象中的资源
例如：

void *__CRTDECL operator new(size_t count) 
{
	// try to allocate size bytes
	void *p;
	while ((p = malloc(count)) == 0)
	if (_callnewh(count) == 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);
}

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分析：operator new首先执行malloc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。
delete是先调用析构函数释放对象中的资源，再释放空间（operator delete）

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;
}

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operator delete 最终是通过free来释放空间的。

内存泄漏的分类：

堆内存泄漏(Heap leak)

    堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

总结：

手动开辟，手动释放，并只能释放一次不能重复释放（浅拷贝与深拷贝）
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系统资源泄漏

    指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

如何一次在堆上申请4G的内存?

例如：

//如何一次在堆上申请4G的内存？
//在x64的环境下可以运行
int main()
{
   void* p = new char[0xfffffffful];
   cout << "new:" << p << endl;
   return 0;
}

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分析：在x64下可以运行（在64位系统下）