C++——内存管理

一，为什么要有内存管理

因为在C/C++中各个内置类型或者是自定义类型的大小都不一样，而如何让各个类型在内存中合理分布就非常有必要，由此我们就需要有内存管理。
我们来看看下面这个程序中的各个变量都是如何分布的

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);
}

各个区域的说明：
1. 栈：又叫堆栈—非静态局部变量/函数参数/返回值等
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。
3. 堆：用于程序运行时动态内存分配
4. 数据段：存储全局数据和静态数据
5. 代码段：存储可执行代码和只读常量

二，C语言中动态内存管理的方式

在这里提一下动态内存管理方式的原因是要和后面C++的动态内存管理方式做一个对比，两个模式是一样的，但是使用还是有点不同。
C的动态内存管理主要是malloc/calloc/realloc,使用方式如下

int main()
{//mallocint* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);free(ptr1);//calloc，用malloc的用法不太一样，//但都是开辟空间，而且calloc还带有初始化的功能int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));//realloc是追加开辟空间，如下，在ptr2的基础上在追加开辟//此时在释放时，只释放ptr3即可,具体原因可以查看以前的C内存管理的文章int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);free(ptr3);return 0;
}

三，C++内存管理方式

C语言中的内存管理方式在C++中也可以使用，但是由于C的内存管理方式用起来比较复杂，而且有的场景难以应对，所以C++也引入了自己的内存管理方式:通过new和delete关键词来进行内存管理

3.1 内置类型管理

对于内置类型的开辟，malloc/free和new/delete的作用是差不多的

void test()
{//动态申请一个int的空间int* ptr1 = new int;//释放delete ptr1;//动态申请一个int的内存空间//并且初始化为10int* ptr2 = new int(10);//释放delete ptr2;//动态申请十个int的空间int* ptr3 = new int[10];//释放delete[] ptr3;//动态申请十个int的空间//并且初始化int* ptr4 = new int[10]{ 1,2,3,4 };//释放delete[] ptr4;
}

3.2 自定义类型管理

new/delete和malloc/free最大的区别就是，new/delete对于自定义来说，不止开空间和释放，也会调用其对应的构造函数和析构函数

class fun
{
public:fun(int a=0):_a(a){cout << "fun(int a=0)" << endl;}~fun(){cout << "~fun()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{//开辟单个空间。malloc/free不会调用构造和析构函数//而new/delete则会fun* ptr1 = (fun*)malloc(sizeof(fun));fun* ptr2 = new fun;free(ptr1);delete ptr2;//开辟多个空间fun* ptr3 = (fun*)malloc(sizeof(fun) * 10);fun* ptr4 = new fun[10];free(ptr3);delete[] ptr4;return 0;
}

由上我们发现malloc/free和new/delete对自定义类型的开辟是不同的，明显后者更方便
注意:目前共有三组开辟方式，malloc/free,new/delete,new []/delete[]，在使用的时候由于各个性质不同，所以绝对不能混着匹配，一定要匹配正确不然可能会导致程序出现崩溃。

四，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全局函数进行空间开辟，delete在底层通过operator delete全局函数进行空间释放。

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

如上所示我们发现在用new进行动态内存申请时，是通过调用call->operator new实现的，那么operator new和operator delete的底层又是靠什么呢？

/*
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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

虽然两个函数的实现代码有许多我们目前还无法理解的，但是从9行我们可以看出operator new底层是由malloc实现的，成功则返回，失败就抛异常，从第34行我们可以看出operator delete最终也是由free实现的
现在我们大概了解到new和delete的底层实现，那么new和delete究竟是如何完成在创建自定义类型的同时完成初始化呢？

五，new和delete的实现原理

5.1 内置类型

对于内置类型的申请，new/delete和malloc/free类似，不同的是new/delete申请和释放的是单个空间，而new[]/delete[]申请和释放的是连续空间，以及new/delete开辟失败是抛异常，而malloc/free是返回nullptr。

5.2 自定义类型

• new的原理

1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上调用构造函数，进行对象的构造

• delete的原理

1.调用对象的析构函数，完成对象中资源的清理
2. 调用operator delete函数释放对象的空间

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* aa = new A;delete aa;return 0;
}

• new []的使用原则

1. 调用operator new[]函数，在该函数中实际上是调用operator new函数完成N个空间的开辟
2. 在申请的空间上执行N次函数构造

• delete[]

1.先在要释放的空间上调用N次析构函数，完成N个对象的资源清理
2.在调用operator delete[]释放空间，实际上仍是调用operator delete完成N个空间的释放

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{/*A* aa = new A;delete aa;*/A* aa = new A[10];delete[] aa;return 0;
}

六，定位new表达式(placement-new)

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 (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
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(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{//现在的ptr只是指向一个空间大小为A的空间的指针//由于没有调用构造函数所以不算对象A* ptr = (A*)malloc(sizeof(A));new(ptr)A(10);ptr->~A();free(ptr);return 0;
}

七，常见问题

7.1 new/delete和malloc/free的区别

共同点：都是从堆上申请的空间，并且需要手动释放

不同点：
用法的角度：
1. malloc/free是函数,new/delete是操作符
2. malloc申请的空间没有初始化，new可以初始化
3. malloc申请空间是需要手动计算类型大小，而new后面直接跟类型就可以，多个对象的话，[]中指定对象个数即可
4. malloc的返回值为void*，接收时需要强转，而new不需要
底层的角度：
5.malloc申请空间失败，返回nullptr，因此使用时需要判空，new不需要，但是new需要捕获异常
6.申请自定义类型时，malloc/free不会调用对象构造函数和析构函数，而new/delete则会在创建或者销毁时，完成对象的构造或者资源的销毁

7.2 内存泄露

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

总结

这就是今天要讲的内容，C++的内存管理仍是以C为基础进行优化，并且添加一些使用更加方便的新特性。