【 C++ 】C/C++内存管理

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一、C/C++内存分布

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

malloc：

calloc：

realloc：

free： 

三、C++内存管理方式

1.用new/delete操作内置类型

2.用new/delete操作自定义类型

3.operator new和operator delete函数

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一、C/C++内存分布

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

malloc：

在c语言中，我们可以使用malloc进行动态申请内存：

int main()
{int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);return 0;
}

从上面我们可以看到我们申请了8个字节大小的空间。malloc函数的返回值是void*类型的指针，指向已经开辟好的空间的首地址。我们可以通过强转，转为自己需要的类型。我们用malloc申请到的空间，里面没有初始化，值是不确定的。

如果申请空间失败，将会返回空指针。

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calloc：

int main()
{//malloc:int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);//calloc:int* pc = (int*)calloc(2, sizeof(int));return 0;
}

在上面代码中，我们用calloc申请了2个大小为int的空间。calloc函数的返回值是void*类型的指针，指向已经开辟好的空间的首地址。它与malloc的区别在于，calloc申请到的空间每个比特位都会初始化为0。

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realloc：

int main()
{//malloc:int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);//calloc:int* pc = (int*)calloc(2, sizeof(int));//realloc:pc = (int*)realloc(pc, sizeof(int) * 4);return 0;
}

realloc可以用来重新申请空间，第一个参数是原空间的地址，第二个参数是新内存块的大小。

如果在原空间的地址上不能往后继续申请内存（后面的位置被占用了），那么realloc会重新开辟一块新内存空间，将原空间上的数据搬到新内存空间，并且对原空间进行释放。新内存空间对于原空间如果更大了，那么多出来的那部分是没有进行初始化的。

如果第一个参数是空指针，那么此时realloc的作用类似于malloc。

当realloc申请空间失败，会返回空指针，但是原空间依旧有效且数据还在。我们用realloc申请巨大的空间来模拟申请空间失败的情况：

int main()
{int* p = (int*)calloc(2, sizeof(int));cout<<"realloc前p的地址：" << p << endl;int* pp = p;p = (int*)realloc(p, sizeof(int) * 1024*1024*1024*1024);cout <<"realloc后p的地址：" << p << endl;cout << "原空间的第一个数：" << pp[0] << endl;return 0;
}

结果：

所以我们在使用realloc的时候，要小心申请失败的情况：

int main()
{int* p = (int*)calloc(2, sizeof(int));int* ppr = (int*)realloc(p, sizeof(int) * 24);if (ppr != NULL){p = ppr;}return 0;
}

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free： 

如果ptr没有指向由calloc、realloc、malloc开辟的空间，那么产生的结果是不确定的。

但如果ptr是空指针，不会做任何事情。

需要注意的是，free后不会改变ptr的值，ptr依旧指向那片空间，只是此时你在去使用这块空间是非法的。

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此处插播一条知识点，为什么在32位环境下指针大小是4个字节？而在64位环境下指针大小是8个字节？

举个例子，当行李箱上假设有3位密码，每一位的范围是从0~9，我们要用多少位数可以表示全部的密码呢？答案是

一个字节8个比特位。

首先，指针装的是地址，在32位系统下，内存地址空间大小是。当我们表示地址时，每一位的范围是0~1，一共32个比特位，地址也就需要用32个比特位去表示，也就是4个字节。

那么64位环境下就更好理解了。在64位系统下，内存地址空间大小是。当我们表示地址时，每一位的范围是0~1，一共64个比特位，地址也就需要用64个比特位去表示，也就是8个字节。

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三、C++内存管理方式

1.用new/delete操作内置类型

int main()
{//动态申请一个int大小的内存空间int* p1 = new int;//动态申请一个int大小的内存空间，并且初始化为1int* p2 = new int(1);//动态申请一个3个int大小的内存空间int* p3 = new int[3];//动态申请一个3个int大小的内存空间，并且初始化为0、1、2int* p4 = new int[3] {0, 1, 2};delete p1;delete p2;delete[]p3;delete[]p4;return 0;
}

当我们申请/释放单个元素的空间时，使用new/delete。当我们申请或者释放连续的空间时，使用new[]或者delete[]。注意要搭配起来使用，如果不搭配使用的后果在文章的后面会讲到。

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2.用new/delete操作自定义类型

在这里，new/delete和malloc/free的区别就明显体现出来了。

class A
{
public:A(int a1 = 1, int a2 = 2):_a1(a1),_a2(a2){cout << "A(int a1 = 1, int a2 = 2)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a1;int _a2;
};int main()
{cout << "malloc:" << endl;A* ma = (A*)malloc(sizeof(A));cout << "-------------------------------------" << endl;cout << endl << "new:" << endl;A* na = new A;cout << "-------------------------------------" << endl;cout << endl << "free:" << endl;free(ma);cout << "-------------------------------------" << endl;cout << endl << "delete:" << endl;delete na;cout << "-------------------------------------" << endl;return 0;
}

看看运行结果：

可以看到对比malloc，new会去调用自定义类型的构造函数。而对比free，delete会去调用自定义类型的析构函数。

对于内置类型而言new/delete和malloc/free是几乎一样的。

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3.operator new和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。

对于自定义类型，new会进行 开空间+调用构造函数，而这里开空间用的是operator new来申请空间。

为什么不用malloc来申请空间呢？

如果malloc申请失败会返回空指针，而C++希望有另外一套执行来应对申请失败的情况：如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户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。

这里的operator new就相当于升级版的malloc。

对于自定义类型，delete会先析构再使用operator delete进行释放空间，而operator delete的底层是_free_dbg。

这里的_free_dbg是什么呢？

首先free其实是宏函数，它的底层是_free_dbg。

#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

总结一下：

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4.new和delete的实现原理

(1)内置类型

如果是对内置类型进行申请空间，new/delete和malloc/free基本类似。不同的地方在于，new/delete申请和释放的是单个元素空间，new[]/delete[]申请和释放的是连续的空间，而且new在申请空间失败时会抛出异常而malloc是返回空指针。

int main()
{//抛异常try{while (1){int* p = new int[1024 * 1024];int* p1 = new int[1024 * 1024];}}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

(2)自定义类型

new和delete对于自定义类型的原理，前面已经描述过，这里就不再赘述。

(2)-1 new [N]的原理

1.调用operator new[]函数，这里的operator new[]其实就是调用operator new实现对N个对象空间申请

2.在申请的空间上进行N次构造函数

(2)-2 delete[]的原理

1.在将要释放的对象空间上调用N个析构函数，实现对N个对象的资源清理。

2.调用operator delete[]释放空间，实际上就是调用operator delete来释放空间。

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5.new/delete和new[]/delete[]错误搭配以及使用free进行释放new

（1）内置类型

int main()
{int* p = new int[3];delete p;return 0;
}

这个代码有什么危险吗？会产生内存泄漏吗？

答案是什么都不会发生。

因为new[]归根结底还是malloc，delete归根结底也还是free。所以在这个场景下你甚至还能用free来释放空间(不推荐)。

（2）自定义类型

1.场景1

如果我们用free去释放new的空间，编译器不会报。我们也会发现free不会调用析构函数。如果我们在析构函数中有资源的释放，可能会造成内存泄漏。

2.场景2

class A
{
public:A(int a1 = 1, int a2 = 2):_a1(a1),_a2(a2){cout << "A(int a1 = 1, int a2 = 2)" << endl;}private:int _a1;int _a2;
};int main()
{A* p1 = new A[3];delete p1;return 0;
}

正常通过。（注意和场景3的对比）

3.场景3

class B
{
public:B(int b1 = 1, int b2 = 2):_b1(b1), _b2(b2){cout << "B(int b1 = 1, int b2 = 2)" << endl;}~B(){cout << "~B()" << endl;}
private:int _b1;int _b2;
};int main()
{B* p1 = new B[3];delete p1;return 0;
}

查看运行结果：

对比与场景2，同样是用delete对new[]申请的资源进行释放，为什么B类运行时就产生了崩溃呢？

delete[]与delete的区别

我们通过比较可以发现，B跟A相比多了析构函数。当用new[]申请多个B类对象的空间时，new[]其实会在有析构函数的类前面多开出4个字节的空间来存储对象个数。因为你有析构函数，编译器怕你析构函数中有释放资源的操作，所以会记下对象的个数来多次调用析构函数避免内存泄漏。如果你没有析构函数，编译器认为没有释放资源，也就懒得给你另开空间记个数了：

A类和B类大小一样，都是8个字节，2个int成员变量。我们来看看new[]对A类开辟了多少空间，对B类又开辟了多少空间。

我们都知道不能对申请的空间只释放一部分。当B类有析构时，使用delete进行释放就是只对申请的空间释放一部分，导致了程序崩溃。所以我们在使用new/delete和new[]/delete[]时，一定要搭配使用，以免造成错误。

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