【C++】深入解析C/C++内存管理：new与delete的使用及原理（一）

一、C/C++中程序内存区域划分

内存区域相关作用：

• 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
  
• 内存映射段时高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库，用户可以使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信
  
• 堆用于程序运行时动态内存分配，堆时可以上增长的
  
• 数据段:存储全局数据和静态数据
  
• 代码段:可执行的代码、只读常量
  

在语法上将数据段称为静态区、代码段称为常量区，而以上操作系统的命名。

提出相关思考:

1. 为什么要分不同的区域
2. 哪个区域是我们需要重点关注的

回答:

1. 根据对象不同的生命周期和作用域，分配到不同的区域中，统一管理，高效地对对象进行处理
2. 堆是我们要需要重点关注的，这是系统留给我们控制的内存，其他系统是自动的

1.1 相关练习测试

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);
}

答案:

• 选择题:C、C、C、A、A 。A、A、A、D、A、B
  
• 填空题：40、5、4、4/8、4、4/8
  

这里容易混洗的char str1[] ="abcd"与const char* str2 ="abcd"。这里str1是个数组将常量拷贝到数组，而str2是直接指向常量区中常量。

二、C语言中动态内存管理方式

C语言中，系统通过一系列函数赋予了我们对堆上空间的控制

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3 );
}

提出思考:

1. malloc/calloc/realloc的区别是什么？
   
2. 这里使用realloc是否还需要free(p2)
   
3. malloc的实现原理?
   

第一个问题的回答:

对于malloc/calloc/realloc是系统为我们提供在堆上申请空间的途径。在功能上大体是相同的，对于malloc与calloc这两个函数，除了参数部分及其是否完成初始化，其他功能是相同的。

relloc比较特别，属于扩容时使用的函数。扩容有两种方式：原地扩容和异地扩容。如果realloc第一个参数部分为空，可以当作malloc使用)。具体还是参考下这篇博客有详细解释内存管理

第二个问题的回答:

由于realloc进行了扩容操作。如果是原地扩容，在原来开辟空间上完成扩容操作，这里p3会同p2指向这块空间，只需要free(p3)；如果是异地扩容，将p2空间中数据拷贝一份，在堆上找一块空间充足地方，完成扩容和拷贝操作，p2指向原空间，会被系统自动收回，不需要对p2进行free操作。对此无论是原地还是异地，只需要free(p3)即可

第三个问题的回答:

可以通过该链接进行学习GLibc堆利用入门

三、C++内存管理方式

在C++中，虽然可以继续使用C语言对于内存管理方式，但是在有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦。对此因此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

3.1 使用new/delete进行数据操作

3.1.1 new/delete 操作内置类型

int main()
{
  //动态申请一个int类型的空间
  int* ptr1 = new int;
  //动态申请一个int类型的空间并且初始化为10
  int* ptr2 = new int(10);
  //动态申请10个int类型的空间
  int* ptr3 = new int[3];
  //动态申请10个int类型的空间并且完成初始化
  int* ptr4 = new int[10]{ 1,2,3 };//剩下没有明确给值，默认为0
  delete ptr1;
  delete ptr2;
  delete []ptr3;
  delete[]ptr4;
  return 0;
}

注意需要匹配使用new和delete操作符：

• 申请和释放单个元素的空间：new、delete
• 申请和释放多个元素的空间：new[]、delete[]

3.1.2 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()
{
  //自定义类型
  A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
  A* p2 = new A(1);
  free(p1);
  delete p2;
  //内置类型
  int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
  int* p4 = new int;
  
  free(p3);
  delete p4;
  //开辟连续自定义类型空间
  A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
  A* p6 = new A[10];
  free(p5);
  delete[] p6;
  return 0;
}

从结果上来看，对于new与malloc最大差别在于对自定义类型除了开辟空间以外，还会调用构造函数和析构函数及其进行良好的初始化和控制。对于malloc而言无法对自定义类型进行好的初始化和控制，只负责开辟内存，除此之外内置类型几乎相同（初始化不同）

对于new优于malloc的几点:

1. 用法上进行调正，更简洁好用
2. 可以控制初始化
3. 对于自定义类型，new可以开空间+构造函数
4. new配合构造函数，可以更加便捷创建节点等
5. new失败了以后抛异常，不需要手动检查

【C++】深入解析C/C++内存管理：new与delete的使用及原理（二）https://developer.aliyun.com/article/1617322