C++从入门到起飞之——内存管理(万字详解) 全方位剖析！

🌈个人主页：秋风起，再归来~
🔥系列专栏：C++从入门到起飞
🔖克心守己，律己则安

1. C/C++内存分布

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

3. C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

4. operator new与operator delete函数（重要）

5. new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

7. 总结malloc/free和new/delete的区别

8、完结散花

1. C/C++内存分布

【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. 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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）

3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。

4. 数据段--存储全局数据和静态数据。

5. 代码段--可执行的代码/只读常量。

我们先来看下面的一段代码和相关问题~

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在哪里？__C__

staticGlobalVar在哪里？__C__

staticVar在哪里？_C___

localVar在哪里？_A___

num1 在哪里？__A__

char2在哪里？_A___

*char2在哪里？_A__

pChar3在哪里？__A__

*pChar3在哪里？__D__

ptr1在哪里？__A__

*ptr1在哪里？__B__

>1.globalVar在哪里？C staticGlobalVar在哪里？C
解析：globalVar为全局变量放在数据段(静态区)，staticGlobalVar也是全局变量放在数据段(静态区)。两者之间主要区别在：普通全局变量作用于整个代码，可被其他文件访问或修改。而被static修饰的静态全局变量只作用于当前文件，其他文件不可见。

>2.staticVar在哪里？C localVar在哪里？A
解析：被static修饰的局部变量staticVar放在静态区，普通的局部变量localVar放在栈区。两者之间主要区别在：被static修饰的局部变量的生命周期只会在程序结束后结束，而普通的局部变量的生命周期出了当前作用域就会结束。

>3.num1 在哪里？A
解析：num1也是一个局部变量，放在栈区。

>4.char2在哪里？A *char2在哪里？A
解析：char2也是一个局部变量，放在栈区，常量字符串"abcd"放在代码段(常量区)，数组开辟的空间放在栈区。在数组开辟时，常量字符串中字符会被一个一个拷贝进入数组，而数组名是首元素地址，所以*char2得到数组第一个元素，放在栈区。

>5.pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
解析：char2也是一个局部指针变量，指向一个放在代码段(常量区)的常量字符串"abcd"。所以*pChar3得到常量字符串的第一个字符，放在代码段(常量区)。

>6.ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B
解析：ptr1是一个局部指针变量，放在栈区。而其指向的内存区域是由动态内存开辟的，所以*ptr1放在堆区。

>下面是比较不好理解的一些选项的图示：

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

忘记了的小伙伴可点击这里看看呢~

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

int main()
{//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int类型的空间int* ptr3 = new int[10];//动态申请10个int类型的空间并全部初始化为0int* ptr4 = new int[10] {0};//动态申请10个int类型的空间并将前五个初始化，后面的默认为0int* ptr5 = new int[10] {1,2,3,4,5};//匹配起来使用delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;delete[] ptr4;delete[] ptr5;return 0;
}

>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[]，注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

>new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数（初始化对象）和析构函数（释放资源）！

class A
{
public:A(int a=0):_a(a){cout << "调用构造" << endl;}~A(){cout << "调用析构" << endl;}
private:int _a=0;
};int main()
{// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间//还会调用构造函数和析构函数//只会在堆上开辟空间A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//不仅会开辟空间，还会调用对象的构造函数进行初始化A* p2 = new A(1);//只会释放空间free(p1);p1 = nullptr;//回先调用对象的析构函数释放资源，再释放为对象开辟的空间delete p2;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // Cint* 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;
}

>p1没有初始化，而p2却初始化了！

>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。

>好啦，我们明白了new和delete的基本用法后就可以写一些比C要爽的代码了！

>还记得，我们之前在做OJ题时如果要自己创建一个链表，还要自己写一个创建节点的函数（CreatDode()）,还是非常烦的，但C++写起来就非常爽了！

struct ListNode
{int val;ListNode* next;ListNode(int x=0):val(x),next(nullptr){}
};int main()
{ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);ListNode* n4 = new ListNode(4);ListNode* n5 = new ListNode(5);n1->next = n2;n2->next = n3;n3->next = n4;n4->next = n5;delete n1;delete n2;delete n3;delete n4;delete n5;
}

>如果类当中没有默认构造，那么我们在new对象的时候就要注意力！

class A
{
public://不是默认构造函数（必须要传参）A(int a,int b=0):_a(a),_b(b){cout << "调用构造" << endl;}~A(){cout << "调用析构" << endl;}
private:int _a=0;int _b = 0;};int main()
{A* p1 = new A(1);A* p2 = new A(1,2);A aa1(1, 1);A aa2(2, 2);A aa3(3, 3);//A* p3 = new A[3];//编译报错:A类不存在默认构造函数A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };//直接给成员A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3)};//创建匿对象A* p5 = new A[3]{ {1,1 },{2,2},{3,3,}};//隐式类型转换创建对象
}

>C中我们判断是否动态内存开辟失败可以用assert断言，也可以用perror来提醒我们，在C++中我们用异常捕获的方式来判断是否动态内存开辟成功（这里我们只知道异常的一小部分用法就行了，具体更多的内容和原理我在后面更新的文章当中会有具体讲解的）

int main()
{try{void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];//向堆申请了1G的空间void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];void* p4 = new char[1024 * 1024 * 1024];void* p5 = new char[1024 * 1024 * 1024];}catch (const exception& e){cout<<e.what()<<endl;}return 0;
}

>好啦，我们还可以看一下再32位平台下，我这里堆的内存到底有多大：

void func()
{int n = 0;while (1){n++;void* p = new char[1024 * 1024];//一次向堆申请一字节的内存cout << p << ":->" << n << endl;}
}int main()
{try{func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

>我们看到结果是1897字节，1.6到1.7个G,内存中总共有4G左右(2^32)，我们再看看64位下的结果

在64位下就大的多了（22个G）！（2^64） 五六十G（虚拟内存）

4. operator new与operator delete函数（重要）

>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。

>下面的原码浅浅的看一下就行了，这里我们只要知道new和delete的底层其实就是malloc和free，不过，malloc失败是直接返回空，而new失败，C++为了用自己异常的那一套，就自己封装了operator new 这个函数，让new失败时抛出异常而不是返回空。我们可以理解为new和delete就是malloc和free的加强版！

/*
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)//free其实是一个宏函数

>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。

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

我们用反汇编看一下底层也是如此：

class A
{
public://不是默认构造函数（必须要传参）A(int a=0,int b=0):_a(a),_b(b){cout << "调用构造" << endl;}~A(){cout << "调用析构" << endl;}
private:int _a=0;int _b = 0;};
int main()
{A* p1 = new A;delete p1;return 0;
}

>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

int main()
{A* p1 = new A[3];delete[] p1;return 0;
}

>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

>了解了new和delete的原理后，我们下面来看一个非常有意思的问题！

class A
{
public:
private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};class B
{
public:~B(){}
private:int _B1 = 2;int _B2 = 2;
};
int main()
{//运行时不崩溃A* p1 = new A[10];delete p1;//运行时崩溃/*B* p2 = new B[10];delete p2;*/return 0;
}

>屏蔽p1，放开p2却崩溃了，明明都是一样的搭配，为什么呢？

>原因剖析：

之前我们讲到了一个重要的点：

>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[]，注意：匹配起来使用。

>那会不会是操作符用法不匹配的原因呢？这里我直接告诉大家并不是这个原因，这里不匹配，无非就是少调用几次析构函数，可能会存在内存泄漏的问题，但编译器是不会检查到这个问题的。而且，这里举得栗子并没有向内存申请资源，就算没有调用析构函数，也不会有内存泄漏！

>真正原因：我们首先知道对象A和对象B在创建对象时都会开辟80个字节

>p1所指向的空间确实是80个字节！

>而p2竟然是84个字节！

>为什么会凭空多出来4个字节呢？

这里我就直接告诉大家，多出的4个字节使用来存放你new的对象的个数的，就比如B* p2 = new B[10];，10就被存放到那4个字节当中了。

编译器存放个数的原因就在于编译器只有读取到对象的个数，才会知道当delete[]时要调用多少次析构函数

>而我们都知道，连续开辟的空间是不可以部分释放的，必须从空间开辟的起点开始回收空间，不然编译器就会在运行时崩溃。

>到这里，我们就已然明白了运行时崩溃的原因！

>但这里还有一个疑惑，为什么p1不会多开4个字节存放对象个数呢！原因就在于，我在写A类时没有显示写析构函数，编译器就会默认此类没有申请资源，就没有必要释放资源了。所以编译器就默默的进行了优化，不再多开那4个字节来记录对象的个数。

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

class A
{
public://不是默认构造函数（必须要传参）A(int a=0,int b=0):_a(a),_b(b){cout << "调用构造" << endl;}~A(){cout << "调用析构" << endl;}
private:int _a=0;int _b = 0;};int main()
{A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//只开辟了空间没有初始化new(p1)A;//手动初始化p1->~A();//手动析构free(p1);//operator new的底层就是malloc，所以用法与malloc一样，不过它们的区别就是内存开辟失败时一个直接返回空，一个抛异常A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(1,2);//手动初始化,如果没有默认构造就必须要传参！p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

>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。