C++：内存管理

内存分布：

首先我们需要了解的是C/C++中内存区域的划分：

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：先调用的地址比后调用的地址大。
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：先调用的地址比后调用的地址小。
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。

当我们懂了内存分布，可以尝试练习：

是不是前面还算简单，下面就写懵圈了！

解析：

        char2是定义在栈上的，它将在常量区的“abcd”拷贝的一份到数组中，，所以解引用(数组名是数组的首地址)还是是在栈上；

        pChar3是一个指向常量区的“abcd”的一个指针，定义在栈上，解引用后就是常量区的“abcd”所以解引用在常量区；

        ptr1定义在栈上，但是malloc开辟的空间在堆上，所以解引用是在堆上；

栈和堆的区别： 

栈和堆的区别：

        栈：由编译器自动分配并且出了作用域就释放，一般存储函数的参数局部变量等。
        堆：由我们通过开辟的空间分配，需要我们手动释放，若程不释放则系统释放。

1、申请内存的方式:
栈：由编译器自动分配，如变量的声明的同时会开辟空间。

堆：由程序员申请，需要制定需要的大小（动态分配）。
2、系统响应的不同:

栈：只要系统剩余空间大于申请内存，系统就会提供，否则程序会崩溃流：栈溢出。

堆：遍历空闲地址链表，找到符合要求的，就将该地址分配给程序，内存的首地址记录分配的大小（方便delete）。

3、空间大小不同:
栈：连续的，编译时就确定的大小；
堆：不连续，他的上限决定于系统中有效的虚拟内存。
4、执行效率的不同:
栈：由系统分配，速度快；
堆：程序员分配，速度慢，容易产生内存碎片，需要多少开辟多少。

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

malloc/calloc/realloc的区别：

        1.malloc和realloc分配好内存空间后不会对空间初始化，calloc会对空间全部初始化为0.

        2.参数不同：malloc(需要开辟的大小)、calloc(需要开辟个数，每个的大小)、realloc(原来的指针，新的内存块大小)。

        3.它们空间分配失败的返回值地址都为NULL；

        4.它们都需要free释放内存，否则会造成内存泄漏等问题。

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。

new/delete操作内置类型

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。

#include 
using namespace std;
 
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "构造函数" << endl;
 
		_capacity = capacity;
		_a = new int[_capacity];
		_top = 0;
	}
 
	~Stack()
	{
		cout << "析构函数" << endl;
 
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _top;
};
 
int main()
{
	Stack s1;
 
	//Stack* p1 = new Stack;//1.new先开辟一个Stack大小的空间；2.然后调用构造函数在开辟一个栈的空间
	//delete p1;//1.先释放构造函数开辟的空间；2.再释放new开辟的Stack的空间
 
	//Stack* p2 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));//没有去调用构造函数初始化
	//operator delete(p2);//没有去调用析构函数，导致内存泄漏：给栈开辟的空间没有释放
 
	//Stack* p3 = new Stack[10];//这里开辟的空间会多开4个，用于存放开辟的数量，便于delete使用
	delete[] p3;
	//delete p3;//空间不能局部释放：直接去释放Stack的空间，前面还有用于记录数量的空间，所以程序崩溃
 
 
	return 0;
}

操作自定义类型：

 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！！！

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
 
	//~A()
	//{
	//	cout << "~A():" << this << endl;
	//}
 
private:
	int _a;
};
 
int main()
{
	A* p4 = new A[10];
	//delete p4;//如果没有定义析构是不会出错：因为编译器的优化认为不需要调用析构，所以没有多开辟空间来记录开辟的个数
	free(p4);//同理
 
	return 0;
}
//通过上面两个程序的比较：new/delete  new[]/delete[] malloc/free 一定要配对使用，否则结果是未定义

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：new和delete匹配起来使用。

了解operator 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。

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);
}

可以看到operator new 函数实际还是通过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。可以理解为：为了解决C语言中将malloc失败的NULL设置为0，导致一些特殊场景的错误，所以将malloc进行封装了,对malloc失败进行异常抛出。

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;
}

operator delete函数本质还是通过free来释放空间，

        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。

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

定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是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。
使用格式：
        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
使用场景：
        定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
 
	//~A()
	//{
	//	cout << "~A():" << this << endl;
	//}
 
private:
	int _a;
};
 
int main()
{
	A a1;//自动调用构造函数
 
	//构造函数可以显示调用吗？
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	//不能下面这样显示调用构造函数
	//p1->A(1);
	//但是可以用定位new显示调用构造函数
	new(p1)A(1);
 
	//析构函数就可以显示调用
	p1->~A();
	operator delete(p1);
 
	return 0;
}

特别需要理解：malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete:

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.

本人实力有限可能对一些地方解释和理解的不够清晰，可以自己尝试读代码，或者评论区指出错误，望海涵！

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