C/C++内存管理
引言
C/C++作为广泛使用的系统级编程语言，提供了直接操控内存的能力，这也意味着开发者需要对内存管理有深刻的理解。本文旨在深入浅出地讲解C/C++内存管理机制，包括内存分布、动态内存分配与释放、以及内存管理的最佳实践。
内存分布图解
- 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。
- 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。
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
- 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。
C语言中动态内存管理方式
- malloc:
void* malloc(size_t size);- 功能：malloc函数用于在堆上分配一块连续的内存空间。它接受一个参数，即所需内存的大小（以字节为单位），并返回指向这块内存的指针。
- 初始化：malloc不会对分配的内存进行初始化，内存中的内容是未定义的，可能是之前的值或者全零，具体取决于操作系统。
- 使用场景：当不需要初始化内存或者特定初始化时使用。
- calloc:
void* calloc(size_t num, size_t size);- 功能：calloc也用于在堆上分配内存，但它接受两个参数，分别是要分配的元素数量和每个元素的大小（以字节为单位）。calloc会确保分配的内存区域中的每个字节都被初始化为零。
- 初始化：与malloc不同，calloc会将分配的内存全部初始化为零，这使得它适合用于数组或结构体等需要初始化为默认值的情况。
- 使用场景：当需要一个清零的内存块时使用，比如初始化数组。
- realloc:
void* realloc(void* ptr, size_t size);- 功能：realloc用于调整先前通过malloc、calloc或realloc分配的内存块的大小。它接受两个参数，第一个是之前分配的内存的指针，第二个是新的大小（可以比原来大也可以比原来小）。
- 初始化：realloc不涉及初始化新分配的内存部分，如果扩大了内存块，新增的部分通常也是未定义的值。
- 使用场景：当原先分配的内存大小不再满足需求，需要扩大或减小内存空间时使用。需要注意的是，如果减小内存空间，超出新大小的部分数据会被截断。
C++内存管理方式
对于C语言内存管理方式上的一些无法解决的地方和不方便使用的地方，C++进行优化，形成C++的内存管理机制。
new/delete操作内置类型
使用方式：
// 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[10];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;图示规则：
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[]。
- 尽量匹配使用
new和delete操作自定义类型
- new和delete相比叫malloc和free在操作自定义类型上最大的区别就是对于自定义类型除了开辟空间，还会调用构造函数和析构函数。
- 对于内置类型几乎操作一样
operator new与operator delete函数
对operator new与operator delete的源码剖析可以发现：
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在全局函数中实际是通过：malloc申请空间
- operator delete在全局函数中实际是通过：free销毁空间
new和delete的实现原理
内置类型
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
- new会首先会调用operator new函数来申请空间（malloc）
- 然后再调用自定义类型的构造函数，在开辟的空间上执行构造函数，完成对象的构造
- delete的原理
- delete会先执行析构函数，将当前对象中的资源进行=清理
- 后调用operaor delete函数进行释放对象创建时开辟的空间（free）
- new T[N]的原理
- 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
- 在申请的空间上执行N次构造函数
- delete[]的原理
- 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
- 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（Placement New Expression），或简称placement new，是C++中一种特殊的内存分配方式，它允许你在已经分配好的内存区域内构造对象。与标准的new操作符不同，定位new不负责内存的分配，而是直接在你指定的内存地址上调用对象的构造函数。这对于实现内存池、重复利用已分配的内存块、在特定内存位置（如共享内存）创建对象等场景非常有用
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
示例
我们现在开辟一块与A类相同大小的空间
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));使用定位new对已有的空间p1调用A的构造函数进行初始化
new(p1)A;注意事项
- 内存管理：使用定位new后，对象的生命周期管理完全由程序员负责。这意味着你不能使用普通的delete来释放这个对象，因为那会试图释放由malloc分配的内存，导致未定义行为。你应该直接调用对象的析构函数，并手动归还内存（如果适用）：
A->~A(); // 手动调用析构函数
std::free(p1); // 释放内存- 内存对齐：确保提供的内存地址是正确对齐的，以便能够容纳特定类型的对象。如果不对齐，可能导致未定义行为。
- 安全性：使用定位new时，你需要确保所指定的内存区域足够大，以容纳完整的对象实例，包括可能的内部对齐填充。否则，可能会覆盖周边内存，引发严重错误。
- 标准库支持：C++标准库提供了一个全局的operator new(void*, std::size_t)重载，它不执行任何实际的内存分配，专门用于定位new表达式。这个重载是固定的，不能被用户自定义版本替代。
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：
- 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
- 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
- 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
- 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