C++之内存管理
本节目标
1. C/C++内存分布
2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
3. C++内存管理方式(重要)
3.1 new/delete操作内置类型
3.2 new和delete操作自定义类型
3.3 类型不匹配导致的错误
3.4 new与malloc开辟空间失败的区别
4. operator new与operator delete函数（重点）
4.1 operator new与operator delete函数
5. new和delete的实现原理
5.1 内置类型
5.2 自定义类型
6. 定位new表达式(placement-new) （了解）
7. 常见面试题
7.1 malloc/free和new/delete的区别
7.2 内存泄漏
7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
7.2.2 内存泄漏分类（了解）
7.2.3 如何检测内存泄漏（了解）
7.2.4 如何避免内存泄漏
8. C++内存分布总结
本节目标
1. C/C++内存分布
2. C语言中动态内存管理
3. C++中动态内存管理
4. operator new与operator delete函数
5. new和delete的实现原理
6. 定位new表达式(placement-new)
7. 常见面试题
1.C/C++内存分布
在此之前，我们问一个这样的问题：代码是存放在哪里的？是栈、堆、还是静态区或者常量区呢？事实上这个问题的答案与这几个选项无关，代码是存在文件里的。 那我们所提到的栈、堆等存储空间又是怎么回事呢？对于代码来说，只有在代码正在运行的情况下，其不同种类的变量将会由编译器存放在相应的存储空间上，这时才是对于栈、堆、静态区等存储空间的利用。
既然上面的了解了，那我们就可以讨论一下相关问题（运行时的存储位置）
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) = ____;
那我们就分析一下这几个问题：
- 选择题：
globalvar： 对于全局变量来说，其与static修饰的静态变量一样，存储在数据段也就是静态区，因此选项为C
staticGlobalVar： 既是全局又是static修饰的变量，因此也为C
staticVar： static修饰的局部变量，也存在静态区，C
localVar： 对于主函数中的此变量，是在主函数开辟的栈帧中存储的，因此是存在栈上的，选项为A
num1： 是数组名，因此也在主函数的栈上，选项为A。
再看一下后六个：
char2： char2是数组，因此在主函数创建的栈上面，A。
*char2： 对于右面的字符串来说，属于常量区，因此这个常量字符串的地址也在常量区，由于*char2与其类型不匹配，*char2为char类型，字符串为const 类型，这时候强转中间就会在栈上产生char类型的临时变量,再将这个临时变量赋给*char2，因此也在栈上，A。
pChar3： 对于pchar3，const修饰的是*pchar3而不是pchar3，即pchar3可以修改，那么pchar3仍然在栈上。（即常变量也在栈上）
*pChar3： pchar3是在栈中并且存放的是地址，而这个地址指向的是常量区的常量字符串，也就是*pchar3，因此选项为D。
ptr1： ptr1是在栈上定义的指针变量，因此在栈上
*ptr1： *ptr1是ptr1在栈上指向的内容，也就是由栈指向堆，因此*prt1在堆上，B。
填空题：对于填空题来说，事实上都是很简单的内容，因此这里提供答案：
sizeof(num1) = 40;
sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;
sizeof(pChar3) = 4/8 ; strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4/8;
2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
void Test () { int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int)); free(p1); // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？ int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int)); int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10); // 这里需要free(p2)吗？ free(p3 ); }
对于第一个问题，我们直接转到之前的文章即可：C语言动态内存管理
对于第二个问题，我们知道realloc的原理是释放旧空间，开辟新空间，因此realloc时，p2原本的位置已经被释放掉了，因此不需要free(p2)。
3. C++内存管理方式(重要)
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。
3.1new/delete操作内置类型
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10个int类型的空间 int* ptr6 = new int[3]; delete ptr4; delete ptr5; delete[] ptr6; }
我们发现，new的方式既可以给其初始化也可以不初始化。需要对单一开辟的初始化，就加上(n)n为具体数字，如果想对开辟的数组初始化，就需要{}
初始化盛夏的则会初始化成0
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[]，注意：匹配起来使用。
因此，对于内置类型来说，new/delete相比malloc/free除了用法上没有区别。
3.2new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; }; struct ListNode { ListNode* _next; int _val; ListNode(int val) :_next(nullptr) ,_val(val) {} }; int main() { //自定义类型 //new和delete相比malloc/free，除了空间管理还会调用构造函数和析构函数 A* p1 = new A; A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A)); delete p1; free(p2); ListNode* n1 = new ListNode(1); ListNode* n2 = new ListNode(2); ListNode* n3 = new ListNode(3); ListNode* n4 = new ListNode(4); n1->_next = n2; return 0; }
对于上述代码，存在两个类，A和ListNode，都属于自定义类型。
对于上述代码，存在两个类，A和ListNode，都属于自定义类型。我们依次讨论：
- 对于A类：
当我们运行new开辟的p1时，会发现其调用了构造和析构函数。
而malloc出来的p2并没有调用，因此这就是在C++中需要new代替malloc的原因。
- 对于ListNode类：
事实上，这便是通过new来进一步简化创建链表的操作：
即通过调用构造函数的初始化列表，就可以将链表节点创建出来。但对于malloc来说，就会很麻烦。（ListNode并不是结构体，而是类，即以类的对象为节点）
3.3类型不匹配导致的错误
上述我们已经提到，对于new需要delete;对于new[]需要delete[]，那如果我们用new但用的是delete[]或者用new[]却用delete会发生什么错误呢？
这里事实上在不同编译器上会有不同的情况发生，由于我用的是VS2019，因此在这里将粗略的谈一下以上两种情况是如何出错的。（不重要)
1. new和delete[]：
对于这个组合，我们先思考一下，为什么delete[]没有具体的数字就知道删掉对应开辟空间的数量呢？事实上，在我们delete[]时，其会在原本一排空间的前面自动开辟一个空间，而这个空间内部的值就是需要删掉空间的数量，即delete[]会将这个自动开辟的空间也一并删除，但对于new来说，仅仅开辟了一个空间，因此这样删除事实上增加了负担，但事实上不会报错。
2. new[]和delete:
事实上，这里的delete也相当于free，因此并不会产生内存泄漏，但是不建议这样使用。
对于这个不匹配，如果调用析构函数，就会对第二情况造成错误，我们只需要了解即可。
3.4 new与malloc开辟空间失败的区别
对于malloc开辟空间失败我们知道，其会返回空指针，即我们可以将此为判断开辟空间是否成功的标准；对于new失败，事实上其并不会返回空指针，而是抛异常。
也就是说，我们可以用判断是否是空指针来截止malloc开辟空间，对于new来说，什么都不用做，一旦开辟失败就会自动终止，并抛出异常，我们可以用以下代码进行演示：
int main() { try { while (1) { int* p1 = new int[1024 * 100]; if (p1) { cout << p1 << endl; } else { cout << "申请失败" << endl; break; } } } catch (exception& e) { cout << e.what() << endl; } return 0; }
4. operator new与operator delete函数（重点）
4.1operator 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。（此处的operator new不是new的重载，与前面的运算符重载不同，实质是一个函数）
我们可以通过画图理解：
/* 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)
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。
