C++内存管理

1、C++内存分布

来看下面这段代码，回答问题：

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);
}

从左到右，从上到下一次为：C C C A A    A A A D A B

这张图很清晰的划分了C++的内存分布；

说明：

1.栈又叫做堆栈，存放的是：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，堆是可以向上增长的；

4.数据段：储存全局数据和静态数据；

5.代码段：可执行的代码/只读常量。

2、C++中动态内存管理方式

       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。

int main()
{
  int* p1 = new int(10);
  int* p2 = new int[10] {0};
 
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    cout << p2[i]<<" ";
  }
 
  cout << endl;
  cout << *p1 << endl;
  delete p1;
  delete[] p2;
 
  return 0;
}

对于内置类型，malloc和new，free和delete是一样的，没有区别,new和delete是专门对自定义类型实现的，下面是用new来开辟一个链表：

class ListNode
{
public:
  ListNode(int val)
    :next(nullptr)
    , _val(val)
  {}
//private:
  ListNode* next;
  int _val;
};
 
ListNode*CreatList(int n)
{
  ListNode head(-1);//new一个哨兵位
  ListNode* tail = &head;//用一个指针指向头节点的地址
  int val;
  printf("请输入节点的值：\n");
  for (int i = 0; i < n; i++)
  {
    cin >> val;
    tail->next = new ListNode(val);
    tail = tail->next;
  }
  return head.next;
}
int main()
{
  int n;
  printf("请输入你构建的节点个数：");
  cin >> n;
  ListNode* list1=CreatList(n);
  for (int i = 0; i < 5; i++)
  {
    cout << list1->_val << " ";
    list1 = list1->next;
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

3、 operator new和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在底层调用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

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

以后会细讲。

4、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类似，delete和free类似，不同的地方是：new和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申请空间，然后在申请的空间调用构造函数，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  ，然后调用operator  delete函数释放对象的空间

new T[]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(operator new 只调用一次)，然后在申请的空间上执行N次构造函数；

delete []的原理：在释放的空间上执行N次析构函数，完成N个对象中的资源清理，然后调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

5、定位new表达式

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

语法如下：

new (placement_address) type(constructor_arguments);

placement_address是一个指针，指向你想要在其中构造对象的内存位置；

type是你想要构造的对象类型；

constructor_arguments是传递给对象构造函数的参数(如果存在的话)。

示例：

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));
  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;
}

注意事项：

1.定位new时，你必须确保你提供的内存地址时足够大的，并且对象的构造函数是兼容的；

2.定位new不会调用对象的析构函数来释放内存，因此你需要手动的管理对象的生命周期，并且显示调用析构函数；

3.定位new通常与低级内存操作相关，因此使用不当可能会导致内存泄露或程序崩溃。

这个点了解即可，后续会深入讲解。

6、malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点：都是从堆上申请空间，并且需要手动释放

不同点：

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申请空间需要手动计算 空间大小并传递，new只需在后面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，但是这个指定对象个数的值一般是四个字节，需要额外开辟四个字节的大小，因为当我们需要调用析构函数时，delete[]会调用n次析构函数，这时候这个指定对象个数的值就发挥作用了，知道我们要调用多少次析构函数，所以new就会多开四个字节来存放这个值。

4. malloc的返回值为void*，使用时必须强制转换为我们需要的类型，new不需要，因为new后面跟的是空间的类型

5.malloc申请空间失败，会返回NULL，所以我们需要判空，new失败会抛异常；

6.申请自定义类型时，malloc只会开辟空间，不会自动调用构造函数，而new在申请空间后会调用构造函数对对象进行初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理。

7、内存泄露

    以后再说！