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1.C/C++中程序內存分布

C/C++中程序內存區域大致劃分為：內核空間（這部分用戶不能讀寫）、棧、內存映射段、堆、數據段（存儲全局數據、靜態數據）、代碼段（存儲可執行代碼、只讀常量，又稱常量區）。

1.1 內存分布圖

C++ 內存管理原理分析

1.2 小試牛刀

接下來看下如下代碼，思考下每一個變量分別在哪個內存區域？

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";
	char *pchar3 = "abcd";//有的編譯器會報錯，需要用const char 
	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(ptr2);
}

上述代碼段對應變量區域劃分如下：

C++ 內存管理原理分析

2.C語言部分的動態內存管理方式

再來回顧一下之前C語言部分的動態內存管理方式：malloc / calloc/ realloc和free

帶著兩個問題閱讀下述程序段:

1.malloc / calloc/ realloc的區別是什么？

2.最后需要free(p2)嗎？

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);
}

答：

1.calloc相當于malloc+memset(0),即開空間+初始化。

2.realloc是對malloc/calloc的空間進行擴容，擴容之下又涉及到了咱們前面所講的原地擴容和異地擴容倆種情景：原地擴容p2和p3是一樣的，也有可能是異地擴容，那么p2指向的空間已經被釋放了，所以兩種情況下我們都可以不需要處理p2。

C++ 內存管理原理分析

3.C++內存管理方式

總之就是C語言那套內存管理方式相對麻煩，所以C++提出了自己的內存管理方式：通過new和delete操作符進行動態內存管理.

3.1new/delete操作內置類型

1.開辟單個元素

開辟單個元素基本語法: type * ptr = new type(content); ,可以理解成動態申請一個type類型的空間并將其中內容初始化為content，當然，你也可以選擇不初始化。

釋放空間語法: delete name;

例：

int* a = new int(100);  //動態申請一個int類型的空間并初始化為100
delete a;

2.開辟n個type類型的空間

開辟n個type類型基本語法: type* name = new type[n]

刪除的基本語法:delete[] name;

例：

int* ptr = new int[100];//動態申請100個int類型的空間
delete[] ptr;           //注意哦！一定要匹配哦！不然必崩潰！

3.對于內置類型，malloc/free和new/delete確實沒有什么區別，二者的作用完全一樣。

例：

int main()
{
	//malloc向內存申請4個整型大小的空間
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	//new向內存申請4個整型大小的空間
	int* p2 = new int[4];
	//free釋放掉p1申請的空間
	free(p1);
	p1 = nullptr;
	//delete釋放掉p2申請的空間
	delete[] p2;
	return 0;
}

C++ 內存管理原理分析

3.2 new/delete操作自定義類型

class  Date
{
public:
	Date(int year=2021, int month=1, int day=1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


int main()
{
	//malloc申請十個Date空間
	Date* p1 = (Date*)malloc(sizeof(Date) * 10);
	free(p1);

	//new申請十個Date空間
	Date* p2 = new Date[10];
	delete[] p2;

	return 0;
}

區別：在申請自定義類型空間的時候，new會調用構造函數，delete會調用析構函數，而mallo和free不會哦！

4.new和delete底層實現原理（important!!!)

C++ 內存管理原理分析

在講解他們的底層實現原理之前需要先先介紹一下兩個全局函數,分別是operator new 和operator delete.

new和delete是用戶進行動態內存申請和釋放的操作符，operator new和operator delete是系統提供的全局函數，new在底層調用operator new全局函數來申請空間，delete在底層通過調用operator delete全局函數來釋放空間。

4.1operator new/operator delete

operator new封裝了 malloc 和失敗拋異常倆個部分，

下面是operator new的代碼：

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)              //如果開辟成功就不會進入循環,并且可以清晰
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申請內存失敗了，這里會拋出bad_alloc 類型異常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

類似的，operator delete封裝了free

下面是operator delete的代碼：

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;
}

總結：通過觀察上述倆個全局函數的實現，不難發現operator new實際也是通過malloc來申請空間，如果malloc申請空間成功就直接返回，否則執行用戶提供的空間不足應對措施，如果用戶提供該措施就繼續申請，否則就拋異常，operator delete最終是通過free來釋放空間的。

4.2new和delete的實現原理

內置類型

malloc/free與new/delete在處理內置類型時并沒有區別，只是malloc申請空間失敗時返回空指針，而new申請空間時是拋異常，new/delete申請和釋放的是單個元素的空間，new[]和delete[]申請的是連續空間。

自定義類型

1.new的原理：1.調用operator new函數申請空間。2.在申請空間上執行構造函數，完成對象的初始化。

2.delete的原理：1.在空間上執行析構函數，完成對象中資源的清理工作。2.調用operator delete函數釋放空間。

另外new T[N]的原理：調用operator new[]函數，在operator new[]中實際調用N次operator new函數完成N個對象空間的申請，然后在申請的空間上執行N次構造函數。**delete[]的原理：**在釋放的對象空間上執行N次析構函數，完成N個對象中資源的清理。然后調用operator delete[]釋放空間，實際在operator delete[]中調用N次operator delete來釋放空間。

初學者看到“delete調用析構函數，完成對象資源的清理工作，后邊又調用operator delete函數釋放空間”這部分內容時可能會比較混亂，這里以棧為例子詳細說下：

struct Stack
{
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new int[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;
	}
	~Stack()
	{
		delete _a;
		_top = _capacity = 0;
		cout << "~Stack()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Stack st;

	Stack* ps = new Stack;
	delete ps;
	return 0;
}

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