【C++】内存管理

一、C/C++内存分布

我们以前学习过C语言中内存管理方式，我们先看以下代码回顾一下：

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);
      free(ptr1);
    }

首先 globalVar 定义在全局域，是全局变量，所以它存在静态区（数据段）；staticGlobalVar ，staticVar 是用了 static 修饰，所以它们也存在静态区；

而 localVar ，num1，char2，pChar3 ，ptr1 都是定义在局部域，所以它们存在栈区；

那么*char2 在哪里呢？其实它还是在栈区上，首先我们知道，C/C++中程序内存区域划分大致是下图这样：

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. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
3. 数据段（静态区） --存储全局数据和静态数据。
4. 代码段（常量区）–可执行的代码/只读常量

而 char2，pChar3 ，ptr1 在内存区域中的划分如下：

首先 “abcd\0” 这段字符串存在常量区中，char char2[] = "abcd"; 是将这段字符串拷贝到 char2 这个数组中，所以 *char2 还是在栈区上；pChar3 也在栈区上，但是 *pChar3 却在常量区上，因为 pChar3 是指向 “abcd\0” 的，所以解引用之后就是找到这段字符串；ptr1 也是定义在栈区上的指针，但是它指向的内容是在堆上的，所以 *ptr1 是在堆上。

二、C++ 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。

1. new/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3个int类型的空间
      int* ptr6 = new int[3];
      delete ptr4;
      delete ptr5;
      delete[] ptr6;
    }

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。

2. new和delete操作自定义类型

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，例如以下代码：

class A
    {
    public:
      A(int a = 0)
        :_a(a)
      {
        cout << "A(int a = 0)" << endl;
      }
      ~A()
      {
        cout << "~A()" << endl;
      }
    private:
      int _a;
    };

new/delete 对自定义类型的使用如下：

int main()
    {
      // 调用构造函数，使用缺省值初始化
      A* ptr1 = new A;
      delete ptr1;      // 调用析构函数
      // 调用构造函数，使用 10 初始化
      A* ptr2 = new A(10);
      delete ptr2;     // 调用析构函数
      // 申请3个A类型的空间
      A* ptr3 = new A[3];
      delete[] ptr3;  // 调用析构函数
      return 0;
    }

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而 malloc 与 free 不会。

三、new 和 delete 的实现原理

1. 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。

2. 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

四、定位new表达式(placement-new) （了解）

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():" << endl;
      }
      ~A()
      {
        cout << "~A():" << endl;
      }
    private:
      int _a;
    };

定位new/replacement new 的使用：

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));
      // 显式调用构造函数
      // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
      new(p1)A;    
      // 显式调用析构函数
      p1->~A();
      free(p1);
      A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
      new(p2)A(10);
      p2->~A();
      operator delete(p2);
      return 0;
    }

五、 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。