一、C/C++内存分布

先看一下 C/C++中程序内存区域划分图

【说明】

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。（后面Linux会学习，现在只需要了解一下）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段--存储全局数据和静态数据。
代码段--可执行的代码/只读常量。

在 C语言中我们喜欢把代码段称作常量区，数据段叫做静态区。

学习数据结构初阶的时候已经学习过栈和堆了，这里不再解释

来看一段代码：

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)

（1）globalVar在哪里？____

（2）staticGlobalVar在哪里？____

（3）num1 在哪里？____

（4）localVar在哪里？____

进阶：

（5）char2在哪里？____

（6）*char2在哪里？___

（7）pChar3在哪里？____

（8）*pChar3在哪里？____

（9）ptr1在哪里？____

（10）*ptr1在哪里？____

2. 填空题：
（a）sizeof(num1) = ____;

（b）sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
（c）sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
（d）sizeof(ptr1) = ____;

答案：

1. (1)~~(5): CCCAA (6)~~(10): AAADAB

2. (a) 40 (b) 5, 4

(c) 4/8（32位下是4,64位下是8），4

(d) 4/8（32位下是4,64位下是8）

解释一下（5）（6）

char char2[] = "abcd";

字符串是在常量区的，char2[] = "abcd" 只是把代码段（常量区）的字符串拷贝过来，char2 本身就在栈上，所以 *char2 解引用依旧在栈里

（7）（8）

const char* pChar3 = "abcd";

pChar3 是一个指针，*pChar 是解引用找到该字符串，该字符串是在代码段（常量区）

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二、C语言中动态内存管理方式

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

C语言中：
（1）malloc

malloc函数的功能是开辟指定字节大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。传参时只需传入需要开辟的字节个数。

（2）calloc

calloc 函数的功能也是开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。calloc函数传参时需要传入开辟的内存用于存放的元素个数和每个元素的大小。calloc函数开辟好内存后会将空间内容中的每一个字节都初始化为0

（3）realloc

realloc函数可以调整已经开辟好的动态内存的大小，第一个参数是需要调整大小的动态内存的首地址，第二个参数是动态内存调整后的新大小。realloc函数与上面两个函数一样，如果开辟成功便返回开辟好的内存的首地址，开辟失败则返回NULL。

（4）free

free函数的作用就是将malloc、calloc以及realloc函数申请的动态内存空间释放，其释放空间的大小取决于之前申请的内存空间的大小

这里只是简单说一下，详情请转到 C语言的动态内存管理

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三、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

（1）申请单个类型的空间

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p2 = new int(10);

	delete p1;//销毁为 p1 开辟的空间
	delete p2;//销毁为 p2 开辟的空间

	//动态申请一个int类型的空间
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); //等价于 p1
}

（2）申请多个类型的空间

注意释放的中括号，delete[] p4; 没有中括号可能会内存泄漏但是不报错。

void Test()
{
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* p4 = new int[10];
	delete[] p4;

	//等价于
	int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); //申请
	free(p5); //销毁

    //初始化
    int* p6 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    delete p6;
}

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。

内置类型：new 和 delete 相比 malloc 和 free，除了用法有区别其他没有区别

3.2 new 和delete 操作自定义类型

看下面的一个类：

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "构造函数" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};


int main()
{
	return 0;
}

动态申请一个类的空间

int main()
{
	A* p1 = new A;//申请一个类空间
	delete p1;

	//等价于
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A)); //申请
	free(p2);
	
	return 0;
}

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和free不会。

动态申请多个类的空间

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
		
	A* p1 = new A[10];
	delete[] p1;

	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	free(p2);
	
	return 0;
}

总结：
1、C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free没有什么区别。
2、如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
3、建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。

四、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。

比如随便申请一个空间，在调试模式下转到反汇编

int* p1 = new int(0);
delete p1;

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。

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

注：抛异常后面才学，这里知道即可

五、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。（抛异常后面会学，这里先了解）

5.2 自定义类型

（1）new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

（2）delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

（3）new T[N] 的原理

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
在申请的空间上执行N次构造函数

（4）delete[] 的原理

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
调用operator delete[] 释放空间，实际在operator delete[] 中调用operator delete 来释放空间

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六、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

测试代码：

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "构造" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "析构" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

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(place_address)type 形式
	new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	free(p1);

	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	new(p2)A(10);
	free(p2);

	return 0;
}

使用场景：

定位 new 一般不怎么使用，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。

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七、常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

主要从两个方面去答：1、用法功能的区别 2、底层的区别

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

7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：

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。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：

长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];
	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
	delete[] p3;
}

7.2.2 内存泄漏分类（了解）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
（1）堆内存泄漏(Heap leak)

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak

（2）系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

7.2.3 如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下，内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

事前预防型。如智能指针等。（智能指针后面会学）
事后查错型。如泄漏检测工具。

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文章就到这里

【C++初阶】三、C/C++内存管理

一、C/C++内存分布

二、C语言中动态内存管理方式

三、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

四、operator new与operator delete函数

五、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

六、定位new表达式(placement-new)（了解）

七、常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

7.2 内存泄漏

7.2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

7.2.2 内存泄漏分类（了解）

7.2.3 如何避免内存泄漏