【C++初阶】动态内存管理

一.C++内存分布

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； 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 ； 了解了内存的分布后，下面让我们来看一些练习题吧。

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);
}

 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？____  staticGlobalVar在哪里？____  staticVar在哪里？____  localVar在哪里？____  num1 在哪里？____  char2在哪里？____  *char2在哪里？___  pChar3在哪里？____    *pChar3在哪里？____  ptr1在哪里？____     *ptr1在哪里？____

正确答案从左往右，从上至下依次是： CCCAA AAADAB 记住，指针都是内置类型，都存储在栈区。

二.new 和 delete

C语言中，是用malloc 申请空间的，又要手动计算需要空间的大小，强转类型，还要检查是否申请内存成功，并且还没有初始化，就挺麻烦的。C++中就不要这么麻烦。

C++中申请空间是使用操作符：new 释放空间使用操作符：delete new申请空间失败时会抛异常，并不是返回NULL。 如果对象是自定义类型： 1.那么在new的时候，会先开空间，然后去调用它的构造函数； 2.在delete的时候会去调用它的构造函数，然后再释放空间；

下面是各个场景下的使用方法：

int main()
{
	
	int* p1 = new int;  //开一个int大小的空间
	int* p2 = new int(1);   //开一个int大小的空间，并初始化成1，注意初始化的内容要用圆括号()
	int* p3 = new int[3];    //开一个3个int大小的空间，或者说开一个数组，要使用中括号[]
	int* p4 = new int[3] {1, 2, 3};   //开一个3个int大小的空间，或者说开一个数组,并初始化，注意                
                                        初始化的内容要用大括号{}
	                                 //如果初始化的内容小于数组元素的个数，后面会自动初始化为0， 
                                        和C语言中是一样的

	delete p1;    //释放空间
	delete p2;
	delete[] p3;  //释放动态申请的数组的空间，注意delete后面要加中括号[]
	delete[] p4;

	return 0;
}

new和delete都是C++中的操作符，使用方法也很简单，方便，下面让我们来看看它们底层是怎么实现的吧。

 三.new和delete的底层实现

operator new与operator delete函数

我们知道： new ：开空间 + 构造函数 delete：析构函数 + 释放空间 那么它们是怎么开空间，释放空间的呢？

new 其实会去调用 operator  new 函数，这个可不是重载，是库里的一个全局函数，

而operator new 内部又是用malloc 开空间的，下面是operator new 在库里的源码：

/*
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);
}

malloc 申请失败会返回NULL，C++中new失败的话，则是抛出异常，可以用try{}catch(){}捕获异常。

不过上面的库里面的代码我们可能也可能看不懂，让我们来看看汇编吧。

这个call 就是去调用函数的意思，很明显，new 调用了 operator  new 函数。

delete 也和 new 一样，它会去调用  operator delete  ，然后operator delete 会去调用free来释放空间，下面是汇编和 operator delete 在库里的源码：

/*
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;
}

总结

四.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 

下面以这段代码进行举例

int main()
{
    //这是我们曾经写过的一个栈
	//需要申请一个堆上的栈对象
	Stack* ps = new Stack;

	delete ps;

	return 0;
}

 图解：

五.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；

记住，这些不要死记硬背，最重要的是理解，当然也有需要记忆的成分。