【C++】内存管理

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";//char2在栈上开辟5字节的空间,把字符串拷贝过去
    char* pChar3 = "abcd";//常量字符串 -> 放在常量区
    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);
}
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int main()
{
    while(1)
    {
        cout<<"hello world\n"<

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2. C语言中动态内存管理方式

2.1 malloc/calloc/realloc和free

面试题：malloc/calloc/realloc的区别

malloc：在堆上开辟空间

calloc和malloc的区别：calloc会初始化,相当于malloc + memset,按字节初始化,空间每个字节都初始化为0

realloc扩容,原地扩容/异地扩容,扩了之后,地址不变就是原地扩容

3. C++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,

3.1 new/delete操作内置类型

new和delete是操作符！

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr4 = new int;
    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr5 = new int(10);
    // 动态申请10个int类型的空间
    int* ptr6 = new int[3];
    
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
}
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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[]

C++98不支持初始化new数组,c++11支持用{}列表初始化

int* p4 = new int[5]{1,2}; //此时未初始化的元素默认为0
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3.2 new和delete操作自定义类型

注意：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,

new和calloc的区别：calloc直接把空间的每个字节初始化为0,而自定义类型的初始化不一定是0,new可以根据构造函数初始化为任意值

对于自定义类型:

new :在堆上申请对象空间 + 调用构造函数初始化对象

delete:先调用析构函数 +清理对象的资源,把空间还给堆

注意：一定要malloc free 和 new / delete new[] / delete[] 匹配使用,否则可能会崩溃！

抛出异常

面向对象的语言：处理错误的方式一般是抛异常,c++中也要求出错抛出异常 -> try catch

面向过程的语言:处理错误的方式：返回值+错误码解决

1Byte = 8 bit 1KB = 1024Byte 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB

问:malloc和new最大能申请多大的空间?

32位情况下,最多申请2G

开辟大空间作为例子：动态开辟2G空间 ->1024*1024*1024*2

C语言：

C++

直接报错！检查没有用

抛出异常：

抛出异常没有捕获是会报错的！必须try和catch才能捕获到异常

C++提出new和delete主要解决两个问题

1.自定义类型对象自动申请的时候,初始化和清理的问题,new和delete会调用构造函数和析构函数

2.new失败了以后要求抛出异常,这样才符合面向对象语言的出错处理机制

ps:delete和free一般不会失败,如果失败了,都是释放空间上的越界或者释放指针的位置不正确

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 + 构造函数初始化对象

• 其中operator new 就是对malloc的封装,但是不同的是:operator new如果开辟空间失败,则抛异常,malloc如果失败了返回NULL

所以下面两个代码的含义基本一致,就是开空间失败的处理机制不同

class A
{
public:
	A() {	cout << "A()" << endl; }
	~A(){	cout << "~A()" << endl; }
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* a1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(a1);

	A* a2 = (A*)operator new(sizeof(A));	//operator new 的返回类型是void*
	operator delete(a2);
	return 0;
}
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delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间

/*
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 bytes
    void *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_FINALLY
        return;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
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通过上述两个全局函数的实现知道

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,并增加了一些检查机制

4.2 operator new与operator delete的类专属重载

下面代码演示了,针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete,实现链表节点使用内存池申请和释放内存,提高效率

struct ListNode
{
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;
    //重载operator new
    void* operator new(size_t n)
    {
        void* p = nullptr;
        p = allocator().allocate(1);//allocator是STL的空间配置器
        cout << "memory pool allocate" << endl;
        return p;
    }
    //重载operator delete
    void operator delete(void* p)
    {
        allocator().deallocate((ListNode*)p, 1);
        cout << "memory pool deallocate" << endl;
    }
};
class List	//双向带头循环链表
{
    public:
    List()
    {
        _head = new ListNode;
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
    }
    ~List()
    {
        ListNode* cur = _head->_next;
        while (cur != _head)
        {
            ListNode* next = cur->_next;
            delete cur;
            cur = next;
        }
        delete _head;
        _head = nullptr;
    }
    private:
    ListNode* _head;
};
int main()
{
    List l;
    return 0;
}
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当我们没有实现重载的operator new的时候,调用的是全局的operator new,当我们实现了,就调用自己的

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. 在申请的空间上调用构造函数,完成对象的构造

delete的原理

1. 在空间上调用析构函数,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 类型[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N个空间

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

什么是定位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

使用场景:

定位new一般是配合内存池进行使用,因为内存池分配出的内存空间没有初始化,如果是自定义类型的对象,使用内存池分配了空间之后,要使用定位new来进行显示的调用构造函数初始化这块空间的内容.

• 构造函数不能显示调用,但是析构函数可以显示调用
• 构造函数在：定义对象自动调用 或者用定位new显示调用

定位new的使用格式：

方式1:new (place_address) type

方式2:new (place_address) type(initializer-list)

其中:place_address必须是一个指针,initializer-list是类型的初始化列表
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例子1:

class Test
{
    public:
    Test()
        : _data(0)
        {
            cout<<"Test():"<