C/C++内存管理

1.C/C++内存分布

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。（后续Linux学习中会深入学习）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
数据段(静态区)–存储全局数据和静态数据。
代码段(常量区)–可执行的代码/只读常量。

2.C语言中动态内存管理方式

1.malloc（Memory Allocation）

定义：void*malloc(size_t size);
功能：分配一块指定大小的内存空间，并返回指向该内存空间的指针。
参数：size_t size：需要分配的内存大小（以字节为单位）。
返回值：成功时返回指向分配内存的指针。失败时返回 NULL。
特点：分配的内存空间的内容是未初始化的，即内存中的值是随机的。如果分配失败（例如内存不足），返回 NULL。需要处理内存分配失败的情况。

2.calloc（Clear Memory Allocation）

定义:void* calloc(size_t num, size_t size);
功能：分配一块内存空间，并将该内存空间初始化为零。
参数：size_t num：分配的元素数量。size_t size：每个元素的大小（以字节为单位）。
返回值：成功时返回指向分配内存的指针。失败时返回 NULL。
特点：分配的内存空间的内容被初始化为零。如果分配失败，返回 NULL。实际分配的内存大小为 num * size。

realloc（Re-Allocation）

定义:void* realloc(void* ptr, size_t size);
功能：重新分配一块内存空间，其大小由 size 参数指定。
参数：void* ptr：指向之前分配的内存空间的指针。
size_t size：新的内存大小（以字节为单位）。
返回值：成功时返回指向重新分配内存的指针。失败时返回 NULL，但原内存空间不会被释放。
特点:
1.如果 ptr 是 NULL，realloc 的行为等同于 malloc。
2.如果 size 为零，realloc 的行为等同于 free。
3.如果新的内存大小大于原内存大小，超出部分的内容是未定义的。
4.如果新的内存大小小于原内存大小，超出部分的内容会被截断。
5.如果重新分配失败，原内存空间仍然有效。

问题1详见上述三个函数介绍
问题2不需要free(p2)：
若原地扩容，p2,p3指向同一个地址，只需free一次。
若异地扩容，p2指向的原地址被释放，原数据已复制到新内存空间中，p3指向该空间地址，只需free(p3)即可。

这里涉及到realloc的扩容问题：

原地扩容：若原内存块后方有足够大小的连续空闲空间，直接扩展内存区域，保留原有数据，返回原指针。
异地扩容：若原内存块后空间不足，则分配新内存块，复制原有数据到新内存中，释放旧内存，返回新指针。

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

3.1new/delete操作内置类型

注意：
1.free是返回内存空间的使用权限而非物理销毁，原空间数据还存在，原地址不变。
2.delete会调用析构并释放内存，释放的内存可能被系统收回并重新分配，导致后续操作中原指针指向的地址发生变化，编译器不同也会影响结果。
重点是知道当一个指针被释放了之后，他的值就应该被我们置为NULL。

与C语言对比
1.申请空间并初始化

2.申请数组大小空间

内置类型限制：C++11前不允许动态数组直接初始化，C++11后需编译器支持且语法严格。自定义类型支持

语法格式

动态申请内置类型数据：new/malloc除了用法上面，其他没什么区别

3.2new/delete操作自定义类型

动态申请了一个A类型的空间

动态申请了4个A类型的空间并初始化

可以看出，针对自定义类型函数，new会开空间后调用构造函数，delete会先调用析构函数再释放空间

需注意，new/delete，malloc/free一定要搭配使用，不然针对一些情况在不同的编译器上会产生错误。

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。

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

用try—catch语句来捕获异常，后续会深入学习

这里是底层，了解即可

new的实现原理

可知new是通过调用operator new来开空间，而operator new又包含malloc的用法，只是面对申请空间失败的返回值不同，最后call构造函数的地址来进行初始化。

delete的实现原理

delete会先调用析构函数，再调用operator delete最终也是free来释放空间的.

operator new封装了malloc函数，失败时抛异常，malloc返回NULL
operator delete封装了free函数

5.总结new与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.定位new表达式(placement-new)（了解）

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。

内存池是从内存中获取内存，但并没有初始化，在需要频繁申请和释放内存的场景下更方便我们获取内存。除内存池之外，还有线程池，连接池等池，统称为池化技术，后续会深入学习。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);//带参的定位newp2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

定义与作用

定位new仅负责在指定内存地址调用对象的构造函数，不分配内存，适用于需要精确控制内存位置或复用内存的场景

注意事项

定位new的构造对象不会自动调用析构对象不会自动调用析构函数，需手动调用。若在同一内存区多次构造对象，需手动管理生命周期。

7.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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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