[C++知识库]C/C++内存管理

C/C++ 内存分布

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？____
			staticVar在哪里？____
			num1 在哪里？____
			staticGlobalVar在哪里？____
			localVar在哪里？____
			char2在哪里？____
			pChar3在哪里？____
			ptr1在哪里？____
			* char2在哪里？___
			* pChar3在哪里？____
			* ptr1在哪里？____
2. 填空题：
			sizeof(num1) = ____;
			sizeof(char2) = ____;
			sizeof(pChar3) = ____;
			sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？
			strlen(char2) = ____;
			strlen(pChar3) = ____

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

void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 这里需要free(p2)吗？
	free(p3);
}

1. malloc/calloc/realloc的区别？
2. malloc的实现原理？

new/delete操作内置类型

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;
}

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。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
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 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* 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;
}

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。

operator new与operator delete函数

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。

/*
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);
	__TRY
		/* block other threads */
		/* 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);
	__END_TRY_FINALLY
		/* release other threads */
		return;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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。

重载operator new与operator delete(了解)

注意：一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间时候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。

// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个
//字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,
	size_t lineNo)
{
	void* p = ::operator new(size);
	cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"
		<< size << endl;
	return p;
}
// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName,
	size_t lineNo)
{
	cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p <<
		endl;
	::operator delete(p);
}
int main()
{
	// 对重载的operator new 和 operator delete进行调用
	int* p = new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__) int;
	operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}
// 上述调用显然太麻烦了，可以使用宏对调用进行简化
// 只有在Debug方式下，才调用用户重载的 operator new 和 operator delete
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif
int main()
{
	int* p = new int;
	delete(p);
	return 0;
}

void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,
	size_t lineNo)
{
	void* p = ::operator new(size);
	cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"
		<< size << endl;
	return p;
}

void operator delete(void* p)
{
	cout << "delete" <<" : " << p << endl;
	// 1. 会造成死循环，原因自己的operator delete和库里面的构成函数重载时
	//    传递的参数一样，导致编译器编译时，两个函数的构成的符号名相同
	//    编译器会去优先调用自己实现的operator delete
	// 2. 上面的operator new里面使用 ::operator new(size)没有问题是因为
	//    参数不一样，编译时构成的符号名也不一样
	//::operator delete(p); 
	free(p);
}

#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
//#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif
int main()
{
	int* p = new int;
	delete p;
	return 0;
}

new和delete的实现原理

内置类型

自定义类型

定位new表达式(placement-new) （了解）

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);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

常见问题

malloc/free和new/delete的区别

补充代码