C/C++内存管理

前言：

由于C++是在C语言的底子上开发出来的语言，以是C++的内存管理方式与C语言极度类似。作者在此篇文章中只先容C++的内存管理方式。
在了解内存管理的方式之前，我们不妨先做一个题目来了解什么是内存。

1. int globalVar = 1;
2. static int staticGlobalVar = 1;
3. void Test()
4. {
5. static int staticVar = 1;
6. int localVar = 1;
7. int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
8. char char2[] = "abcd";
9. const char* pChar3 = "abcd";
10. int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
11. int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
12. int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
13. free(ptr1);
14. free(ptr3);
15. }
17. 选择题：
18. 选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
19. globalVar在哪里？____
20. staticGlobalVar在哪里？____
21. staticVar在哪里？____
22. localVar在哪里？____
23. num1 在哪里？____
25. char2在哪里？____
26. *char2在哪里？___
27. pChar3在哪里？____
28. *pChar3在哪里？____
29. ptr1在哪里？____
30. *ptr1在哪里？____

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在上述题目中，我们可以得知内存中存在不同的区域，从上至下依次是栈、堆、静态区（数据段）、常量区（代码段）------（不止这几种区域，本篇文章只讨论这四个区域）。那么这几个区域的区别是什么？
【说明】

• 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。
  一样平常局部变量、static修饰的变量和指针存放在这里。
  
• 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  一样平常malloc/calloc/realloc向堆申请空间。
  
• 数据段–存储全局数据和静态数据。
  
• 代码段–可执行的代码/只读常量。
  

现在再回到上面的题目。我们就可以知道应该怎么解答。

1. int globalVar = 1;//在函数外面创建，全局变量，存放在静态区
2. static int staticGlobalVar = 1;//static修饰,并且本身就是全局变量
3. void Test()
4. {
5. static int staticVar = 1;//static函数修饰静态变量的，所以存放在静态区
6. int localVar = 1;//局部变量，存放在栈区
7. int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
8. //num1作为数组名，除了在sizeof和 &num1 中作为地址。其余情况均作为数组首元素的地址，指针存放在栈区
9. char char2[] = "abcd";//与上面相同，存放在栈区
10. const char* pChar3 = "abcd";//虽然"abcd"与上面的变量相同。但是上面是数组，这里是指针。位于常量区
11. //数组指向的字符，师叔祖中被赋值的字符，位于栈
12. //指针指向的字符，是常量区中的字符，位于常量区
13. int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1作为指针存在栈，ptr1指向的空间位于堆
14. int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
15. int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
16. free(ptr1);
17. free(ptr3);
18. }
20. 选择题：
21. 选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
22. globalVar在哪里？__C__
23. staticGlobalVar在哪里？__C__
24. staticVar在哪里？__C__
25. localVar在哪里？__A__
26. num1 在哪里？__A__
28. char2在哪里？__A__
29. *char2在哪里？_ A__
30. pChar3在哪里？__A__
31. *pChar3在哪里？__D__
32. ptr1在哪里？__A__
33. *ptr1在哪里？__B__

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1. C++内存管理的方式

在C++中依然可以使用C语言的内存管理方式。例如：使用malloc开创空间，大概使用calloc开创空间并且将空间初始化为0，亦或使用realloc改变一个空间的大小。这些在C++中都是可以实现的。但是这些方式在C++中的某些地方就会显得左支右绌，不够好用。因此，C++推出了自己的内存管理方式：new和delete。
1. 1 new/delete的使用方式

【注意】;
new 和 delete ，new[ ] 和 delete[ ] 肯定要配套使用，不然new[ ]申请数个空间，delete只开释一个空间，就会造成空间走漏。
1. 2 new/delete操作自界说范例

2. operator new & operator delete函数

上文中先容的new / delete本质上是操作符。在使用操作符后，调用的是operator new & operator delete这两个函数。也就是说，实际开发空间和开释空间的是operator new & operator delete这两个函数。
2. 1 operator new & operator delete的底层逻辑

operator new & operator delete的本质其实就是对malloc & free的包装。

1. /*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。 */
2. void* __CRTDECL
3. operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) {
4.     // try to allocate size bytes
5.     void* p;
6.     while ((p = malloc(size)) == 0)
7.         if (_callnewh(size) == 0) {
8.             // report no memory
9.             // 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
10.             static const std::bad_alloc nomem;
11.             _RAISE(nomem);
12.         }
13.     return (p);
14. }
15. /* operator delete : 该函数最终是通过free来释放空间的 */
16. void operator delete(void* pUserData) {
17.     _CrtMemBlockHeader* pHead;
18.     RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
19.     if (pUserData == NULL)
20.         return;
21.     _mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */
22.     __TRY
23.         /* get a pointer to memory block header */
24.         pHead = pHdr(pUserData);
25.     /* verify block type */
26.     _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
27.     _free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
28.     __FINALLY
29.         _munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
30.     __END_TRY_FINALLY
31.         return;
32. }
33. / *free的实现 * /
34. #define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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从上面的代码可以知道，operator new & operator delete实际调用的就是malloc & free。那么为什么不直接在C++将malloc & free的功能改进，而是重新设计函数用来它们？其实是因为C++在代码错误的时候，需要抛非常。而malloc在调用失败的时候返回的是NULL，operator new调用失败则会抛非常。如许就符合C++的设计理念。
3. 定位new表达式（location new）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用一个构造函数初始化对象。
使用格式：
new (place_address) type大概new (place_address) type(initializer-list)
place_address 必须是一个指针，initializer-list 是范例的初始化列表
使用场景：
定位 new 表达式在实际中一样平常是共同内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，以是如果是自界说范例的对象，需要使用 new 的界说表达式举行表现调构造函数举行初始化。

4. 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，并且需要用户手动开释。
  不同的地方是：
用法上：

• malloc和free是函数，new和delete是操作符。
  
• malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
  
• malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并通报，new只需在其后跟上空间的范例即可，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可。
  
• malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的范例。
  

功能上：

• 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需要捕获非常。
  
• 申请自界说范例对象时，malloc/free只会开发空间，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在开释空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理开释。
  

【注意】
不要将new和delete交叉使用，不然有大概会造成内存走漏。

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