【C++】第五节：内存管理

1、C/C++内存分布

看下面一段代码

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);
}

1. 选择题：选项：A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar 在 C，全局变量和静态变量在静态区
staticGlobalVar 在 C
staticVar 在 C 
localVar 在 A
num1 在 A
char2 在 A，char2 也是一个变量
*char2 在 A，数组名是首元素的地址，解引用就是a，在栈上
字符串常量 "abcd" 存储在代码段的常量区，而指针变量 pChar3 存储在栈上
const char* pChar3 = "abcd";表示 pChar3 是一个指向 const char 的指针，指针 pChar3 指向的位置可以被更改，但是不能通过 pChar3 来修改它所指向的字符数据
pChar3 在 A
*pChar3 在 D
ptr1 在 A，ptr1是一个指针（局部变量），指向的空间在堆上
*ptr1 在 B

2. 填空题：
sizeof(num1) = 40;
sizeof(char2) = 5; 注意 sizeof 计算时包括最后的'\0'
strlen(char2) = 4;//遇到'\0'终止
sizeof(pChar3) = 4/8; 
strlen(pChar3) = 4;
sizeof(ptr1) = 4/8;

【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. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的。
3. 数据段--存储全局数据和静态数据。
4. 代码段--可执行的代码/只读常量。

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

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);
}

为什么不需要 free(p2) 呢？

因为如果 realloc 原地扩容，p2 和 p3 是一样的；如果是异地扩容，p2 在 realloc 成功后已经指向新的内存块，旧的内存块会自动释放。

malloc/calloc/realloc的区别？

// 分配指定字节数的未初始化内存
void* malloc (size_t size);// 分配指定数量的元素并初始化为零
void* calloc (size_t num, size_t size);// 调整以前分配的内存块的大小，可以扩大或缩小内存块
void* realloc (void* ptr, size_t size);

3、C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{// 动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr2 = new int(10);// 动态申请10个jin类型的空间int* ptr3 = new int[10];// 释放空间delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;
}

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[]，匹配使用！

3.2 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(){// new/delete和malloc/free最大的区别是// new/delete对于自定义类型除了开空间还会调用构造和析构函数A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;// 内置类型几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p4 = new int;free(p3);delete p4;A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;return 0;
}

Stack 的构造和析构：

typedef char DataType;
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack()" << endl;_array = new DataType[4];_capacity = capacity;_size = 0;}void Push(DataType data){_array[_size] = data;_size++;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;delete[] _array;_array = nullptr;_capacity = _size = 0;}
private:// 内置类型DataType* _array;int _capacity;int _size;
};Stack* func()
{int n;cin >> n;Stack* pst = new Stack(n);return pst;
}int main()
{Stack* ptr = func();ptr->Push(1);ptr->Push(2);delete ptr;return 0;
}

4、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。

operator new 实际也是通过 malloc 来申请空间，如果 malloc 申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供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。operator delete 最终是通过 free 来释放空间的。

5、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

6、面试题

6.1 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

6.2 内存泄漏

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。