C++第七弹 -- C/C++内存管理

前言

在C/C++编程中，内存管理是至关重要的一个环节。程序员需要合理地分配和释放内存，以确保程序能够正常运行，避免内存泄漏和崩溃。本文将深入探讨C/C++内存管理机制，从内存分布、动态内存管理方式、new和delete的实现原理到定位new表达式，以及malloc/free和new/delete的区别，全面解析C/C++内存管理的方方面面。

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正文开始

一. C/C++内存分布

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);
}
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
   
   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
2. 填空题：
   sizeof(num1) = ____;40
   sizeof(char2) = ____;5      strlen(char2) = ____;4
   sizeof(pChar3) = ____;4     strlen(pChar3) = ____;4
   sizeof(ptr1) = ____;4
3. sizeof 和 strlen 区别？

char2会在栈中存储, 而*char2内字符串在常量区, 但是因为是使用数组,所以会将abcd\0从常量区拷贝一份到栈区的数组

sizeof 和 strlen 区别？

1. 定义和类型
   sizeof：是一种运算符，用于计算对象或类型所占的空间大小（以字节为单位）。它在编译时就已经确定了值，并将结果在编译时嵌入到程序中。在头文件中，sizeof 通常被 typedef 为 unsigned int。
   strlen：是一种函数，用于计算字符串的长度，即字符串中字符的数量（不包括结束符 \0）。它定义在 头文件中，其原型为 size_t strlen(const char* str);。strlen 在运行时才能计算字符串的长度。
2. 用法
   sizeof：
   可以用于基本数据类型（如 int、float 等）。
   可以用于数组、指针、结构体、联合等复合数据类型。
   可以直接作用于变量名或类型名，而不需要变量名或类型名被括号括起来（但使用括号可以提高代码的可读性）。
   对于指针，sizeof 返回的是指针本身的大小，而不是指针所指向的内存区域的大小。
   strlen：
   只能用于字符型指针（char*），且该指针必须指向以 \0 结尾的字符串。
   strlen 的参数必须是字符串的起始地址。
3. 功能和结果
   sizeof：
   返回的是对象或类型所占的空间大小，单位是字节。
   对于数组，sizeof 返回的是整个数组所占的空间大小，包括所有元素和末尾的 \0（如果数组是字符数组的话）。
   对于指针，sizeof 返回的是指针本身的大小，与指针所指向的数据类型无关。
   strlen：
   返回的是字符串中字符的数量，不包括结束符 \0。
   如果传入的指针不是以 \0 结尾的，strlen 会继续读取内存直到遇到 \0 为止，这可能会导致越界访问。

【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。

二. 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 );
//不需要,如果realloc成功, 会在p2的基础上进行扩容, 返回的是p2
//如果扩容失败,realloc会自动释放p2的空间,然后再重新找一块更大的空间,然后返回这块空间的地址.
}

malloc/calloc/realloc的区别？

3. 使用场景
malloc：适用于需要动态分配内存，但不需要初始化内存内容的场景。
calloc：适用于需要动态分配内存，并且希望内存内容初始化为0的场景。calloc的初始化特性使得它在分配内存后无需再进行额外的初始化操作。
realloc：适用于已分配的内存块大小不足以满足当前需求，或者分配了过大的内存块需要缩减的场景。realloc能够调整内存块的大小，同时尽可能保留原内存块中的数据。
4. 注意事项
使用malloc、calloc和realloc分配的内存都必须通过free函数来释放，以避免内存泄漏。
realloc在调整内存块大小时，如果成功则返回新的内存块地址（可能与原地址相同），如果失败则返回NULL，但原内存块仍然保持有效。因此，在使用realloc时，通常需要用一个临时指针来接收realloc的返回值，并在检查返回值后再决定是否更新原指针。
calloc分配的内存块会被初始化为0，这可能会带来一些额外的性能开销。如果不需要初始化内存内容，使用malloc可能更加高效。

三. C++中动态内存管理

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。

对于内置类型

int main()
{
	//对于内置类型,除了用法方便,和malloc没什么区别
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int[10];
	//默认不初始化, 但是可以初始化

	int* p3 = new int(10);//初始化为10
	int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};

	delete p1;
	delete[] p2;
	return 0;
}

对于自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

	A(int a1, int a2)
	{
		cout << "A(int a1, int a2)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a = aa._a;
		}
		return *this;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//对于自定义类型, new能够调用构造初始化,malloc不在适用
	//A* p1 = new A;
	//A* p2 = new A(2);//传参构造

	//delete p1;//会调用析构函数
	//delete p2;

	A* p1 = new A[10];//连续申请10个空间
	//会调用十次默认构造
	//不想调用默认构造,下面是拷贝构造
	A aa1(1);
	A aa2(2);
	A aa3(3);
	A* p2 = new A[10]{ aa1,aa2,aa3 };

	A* p3 = new A[10]{ 1,2,3,4,{6,7} };//也可以直接写,进行隐式类型转化
	
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
}

这里使用new进行内存开辟, 会自动调用它的构造函数, 使用delete也会自动调用它的析构函数

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。

 //结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定
int main()
{
	//对于自定义类型,delete[]需要保存需要析构的次数
	// 所以会多开辟四个字节进行存储析构的次数
	// 然后释放空间的时候会-4释放掉多开辟的空间
	// 而delete和free不会,所以会报错 
	//A* p1 = new A;
	A* p2 = new A[10];  //44 or 40
	delete[] p2;

	delete p2;
	free(p2);

	//对于内置类型无影响
	int* p3 = new int[10];  //40
	//free(p3);

	return 0;
}

四. 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。

/*
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。

五. new和delete的实现原理

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。

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

六. 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

举个例子:

不通过new进行申请, 使用operator new, 跟malloc的用法一致, 只是前者会抛异常, 后者返回NULL, 那我们需要手动调用构造函数, 但是p1->A()这样写编译器不支持, 所以就需要用到定位new, 用法new(p1)A, 定位某个地址,进行调用其构造函数, 对于析构函数, 可以直接p1->~A()调用.

int main()
{
	//A* p1 = new A;

	//不想通过new进行申请,使用operator new需要手动调用构造函数
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	//p1->A(); // 编译器不支持这样显示调用构造
	//new(p1)A;  // 对已有空间，显示调用构造
	new(p1)A(10);  // 对已有空间，显示调用构造

	//后面回学到的内存池调用
	//A* p1 = pool.alloc(sizeof(A));
	//new(p1)A(10);  // 对已有空间，显示调用构造
	
	// delete p1
	p1->~A();//析构编译器支持
	operator delete(p1);
	
	// new []
	A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A)*10);
	//new(p2)A[10]{1,2,3,4};  // 对已有空间，显示调用构造
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
		new(p2 + i)A(i);

	// delete[]
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		(p2 + i)->~A();
	}
	operator delete[](p2);

	return 0;
}

七. 常见面试题

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

总结

本文深入探讨了C/C++内存管理机制，从内存分布、动态内存管理方式、new和delete的实现原理到定位new表达式，以及malloc/free和new/delete的区别，全面解析了C/C++内存管理的方方面面。

理解C/C++内存管理机制对于编写高效、安全的代码至关重要。掌握本文所述内容，能够帮助你更好地理解程序运行时的内存分配和释放过程，避免内存泄漏、越界访问等问题，进而提升代码质量。

希望本文能够对你有所帮助，如果你有任何疑问，欢迎在评论区留言讨论。

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完