【C++】：C/C++内存管理

一，C/C++内存分布

在C语言的学习中，我们大致了解过内存的分布，C++的内存分布方面和C是一样的，通过下面的图文进行回顾：

【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。（Linux的内容，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。

二，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。

2.1 new和delete操作内置类型

new除了用法方便(不用强转，不用检查)，和malloc没有区别，也不会初始化，但是它可以初始化。

使用方法如下：

int main()
{
  //内置类型
  //动态申请一个int对象
  //int* p1 = new int;
  //动态申请一块连续内存
  //int* p2 = new int[10];
  int* p1 = new int(0);//初始化
  int* p2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5, 6};//初始化
  
  //释放空间
  delete p1;
  delete[] p2;
  return 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。

2.1 new和delete操作自定义类型

1.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。

2.如果一次性开辟n个对象，则会调用n次构造，n次析构。

3.自定义类型也可以初始化，其原理是会进行隐式类型转换。

class A
{
public:
  //构造函数
  //单参数
  A(int a = 0)
    :_a(a)
  {
    cout << "A(int a = 0)" << endl;
  }
  //多参数
  A(int a1,int a2)
  {
    cout << "A(int a1,int a2)" << endl;
  }
  //拷贝构造
  A(const A& aa)
  {
    cout << "A(const A& aa)" << endl;
  }
  //析构函数
  ~A()
  {
    cout << "~A()" << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  //自定义类型
  //malloc对于自定义类型也无法初始化
  //A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
  //开空间/释放空间，还会调用构造和析构
  A* p2 = new A;
  A* p3 = new A(2);
  delete p2;
  delete p3;
  cout << endl;
  //n个对象的开辟和销毁
  //调用n次构造，n次析构
  //A* p4 = new A[5];
  //自定义类型的初始化
  //1可以隐式转换成A，用1构造一个临时对象，这个临时对象又进行拷贝构造
  //编译器又把构造+拷贝构造优化成构造
  //单参数
  //A* p4 = new A[5]{ 1,2,3,4 };
  
  //多参数
  //同样支持隐式类型转换，同样调用构造函数
  A* p4 = new A[10]{ 1,2,3,4 ,{6,7} };
  delete[] p4;
  return 0;
}

三，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。

代码示例如下：

#include <stack>
//new 和delete 的底层
int main()
{
  //编译器看到new操作符后，就会转换成operator new + 构造函数
  //而operator new又是malloc的封装
  A* p2 = new A;
  //转换成 析构 + operator delete
  //注意：析构 和 operator delete 释放的不是同一块空间
  //operator delete 释放的是p2指向的这块空间
  //析构 的是A对象里面的资源的清理(有资源清理资源，没资源调用函数)
  delete p2;
    
    //模版的语法
  stack<int>* p3 = new stack<int>;
  delete p3;
  return 0;
}

编译器看到new操作符后，就会转换成 operator new + 构造函数，而operator new又是 malloc 的封装，malloc失败后，还会抛异常。

同理，看到delete操作符后，就会转换成 析构函数 + operator delete，而delete又是 free 的封装。

转到汇编观察：

在上述代码中，注意：析构函数 和 operator delete 释放的不是同一块空间，operator delete 释放的是p2指向的这块空间，而析构 的是A对象里面的资源的清理(有资源清理资源，没资源调用函数)。

比如，在stack中：

四，new/delete 和 malloc/free 交叉使用带来的问题

在前面我们提到过，new/delete 和 malloc/free 要匹配使用。那它们交叉使用时，会发生什么呢，编译器会有哪些奇怪的机制呢？

1.用new开辟内置类型时，new 和 free交叉使用不会报错。 这是由于new的底层是malloc，刚好与free匹配。

如下面的代码，此时p3空间有40个字节。

int main()
{
  //内置类型
  //交叉使用不报错
  int* p3 = new int[10]; //40字节
  free(p3);
  return 0;
}

2.用new开辟自定义类型，使用free释放，程序崩溃！

如果把类A中的析构函数注释，程序正常运行。为啥？

如下面的代码，我们还会发现，此时p2空间有44个字节。开辟10个 int 类型的成员变量，为什么是44个字节呢？

class A
{
public:
  A(int a = 0)
    : _a(a)
  {
    cout << "A():" << this << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A():" << this << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  //自定义类型
  A* p2 = new A[10]; //44字节
  
  //free(p2);//err
  
   //delete[] 会往前偏移
     delete[] p2;//ok
  return 0;
}

原因：

当类中有显式析构函数，new开辟自定义类型的空间时，new会在这块空间的前面多申请4个字节空间，用来存对象的个数，那么存这个数据干嘛用呢？方便delete[]时，让编译器知道析构时，调用多少次函数。

所以说，程序崩溃的原因是因为释放的位置不对，delete 和 free 都不会向前偏移，而delete[] 会。

结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定的。

五，new和delete的实现原理

5.1 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。

5.2 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。

六，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。

使用格式：

new (地址/指针) 类名 或者 new (地址/指针) 类名(初始化列表)

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));
  //p1->A(); //err 不支持这样显式调用构造
  
  //使用定位new表达式
  new(p1)A;// 对已有的空间，显式调用构造
  new(p1)A(10);//可以进行初始化
  p1->~A(); //ok
  operator delete(p1);
  return 0;
}

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。