C/C++内存分布

我们先来通过下面代码来解答一些问题>

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？____   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？____
2. 填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

这里我们补充一些内存中数据存放的位置的知识点>

先来看第一题>

globalVar是定义在全局的变量所以他的作用域是全局的，全局变量和static修饰的变量都放在静态区；

staticGlobalVal是通过static修饰的静态变量，所以他也是存在静态区的；

staticVar虽然是局部的变量，但他用static修饰成为了静态变量，所以他也存储在静态区；

localVar是局部变量没有用static修饰，他是由main函数创建的栈帧中的变量，所以他是存储在栈区；

num1是数组名表示数组首元素的地址，同样也是存储在main函数的栈帧中；

所以第一部分应该选：C C C A A

我们再来看第二部分>

char2是数组名表示首元素的地址，字符数组"abcd"存储在常量区，但是函数栈帧中将常量区的"abcd"拷贝了一份赋给char2，所以char2是存储在栈区；

*char2对char2进行解引用解引用的内容是从静态区拷贝过来存放在栈区的"abcd"中的首字符’a‘ ,所以*char2也是存储在栈区中；

pChar3是一个被const修饰的指针变量，指针变量是main函数栈帧创建的，所以是存储在栈区的；

*pChar3 是对pChar3所指向内容的解引用，pChar3指向的静态区的“abcd”，所以 *pChar3是存储在静态区的；

ptr1也是指针变量，所以也存储在栈区；

*ptr1是对ptr1进行解引用，ptr1指向的是malloc的一块空间是属于堆区上的，所以 *ptr1是存储在堆区；

所以第二部分应该选：A A A C A B

再来看第二题>

sizeof(num1)：num1数组名，对数组名求大小是算的整个数组的大小，所以是10 *4=10；

sizeof(char2)：char2是数组名，求出来是1 * 5=5；

strlen(char2)：strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’，所以大小为4；

sizeof(pChar3)：pChar3是指针变量，指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节，所以结果为：4/8；

strlen(pChar3)：strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’，所以大小为4；

sizeof(prt1)：ptr1是指针变量，指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节，所以结果为：4/8；

所以最终答案：10 、4、 4/8、 4、 4/8

我们画图来理解具体的存储位置>

【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。

C语言中动态内存管理的方式

这里可以看C语言进阶中的内存管理>

传送门(C语言动态内存管理)

C++动态内存管理

C语言内存管理的方式在C++中可以继续使用，但有些地方还有不足，而且使用起来比较麻烦，因此C++中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

我们对比C语言中的malloc来学习C++中的new>

int main()
{
  //c
  int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
  free(p1);
  //cpp
  int* p1 = new int;
  delete p1;
  //c
  int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
  free(p2);
  //cpp
  int* p2 = new int[10];
  delete[] p2;
  return 0;
}

我们可以看到使用new的会比malloc简洁一点。

再来看>

void Test()
{
  // 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3个int类型的空间,并初始化为1，2，3
  int* ptr6 = new int[3]{1,2,3};
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

我们来调试看>

可以看到ptr5和ptr6都被初始化了。

【注意】：申请和释放的单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，必须匹配使用。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    // 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
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1);
    free(p1);
    delete p2;
    // 内置类型是几乎是一样的
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;
    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
    A* p6 = new A[10];
    free(p5);
    delete[] p6;
    return 0;
}

可以看到当我们new一个对象的时候会自动调用构造函数，delete的时候会自动调用析构函数，而malloc和free不会调用。

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)

free其实是一个宏函数，new申请空间失败了会抛异常，而malloc申请失败会返回NULL，new底层也是通过malloc来申请内存的。

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。

我们用new来申请1024*1024个int大小的内存>

int main()
{
  int* p1 = nullptr;
  do
  {
    p1 = new int[1024 * 1024];
    cout << p1 << endl;
  } while (p1);
  return 0;
}

我们来进行调试>

通过调试可以看到new申请空间失败确实是抛出异常。

我们再来通过汇编代码来观察调用new和delete的具体方式>

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{
    A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1);
    operator delete(p1);
    delete p2;
    return 0;
}

我们调试进入反汇编>

可以看到new执行调用了两个函数一个是operator new函数和构造函数。

再来看delete>

delete 是先调用析构函数再调用operaator delete函数来进行空间的释放。

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

调用operator new函数申请空间

在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作

调用operator delete函数释放对象的空间

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;
};
// 定位new/replacement new 
int main()
{
    // p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    //显示调用构造函数
    new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
    p1->~A();
    free(p1);
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    return 0;
}

这里可以看到定位new对一块申请的空间进行了显示调用构造函数。

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

5.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

🍀小结🍀

今天我们认识了new和delete的用法相信大家看完有一定的收获。

种一棵树的最好时间是十年前，其次是现在！把握好当下，合理利用时间努力奋斗，相信大家一定会实现自己的目标！加油！创作不易，辛苦各位小伙伴们动动小手，三连一波💕💕~~~，本文中也有不足之处，欢迎各位随时私信点评指正！

【C++】C/C++内存管理，从底层汇编带你理解new和delete！