编程语言|【C++】内存管理

【C++】内存管理

前言：

这里的内存管理会跟C语言的进行区分比较，注意两者的区别。

一、内存区域划分

栈区：由编译器自动分配和释放，存放函数的参数值、非静态局部变量、返回值等，栈是向下增长的。
堆区：用于动态内存分配，由程序员手动申请和释放。若不及时释放，会导致内存泄漏，堆是可以向上增长的。
全局/静态区（数据段）：存放全局变量和静态变量，程序开始时分配内存，结束时释放内存。
代码段：可执行的代码、只读常量。

在这里插入图片描述

二、C语言内存管理方式（与C++区分）

malloc函数：函数原型为 viod malloc(size_t size),用于分配指定字节数的连续内存空间*。（malloc函数不初始化）
calloc函数：函数原型为 void*calloc(size_t num,size_t size) ,用于分配指定数量和大小的内存空间，并初始化为0。
relloc函数：函数原型为 void realloc (void ptr, size_t size)** ，用于调整已分配内存空间的大小 。
free函数：函数原型为 void free (void ptr)* ，用于释放动态分配的内存空间。

void Test ()
{
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
    free(p3 );
    p3=NULL;
}

三、C++内存管理方式

C++内存管理通过 new和delete 操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete操作内置类型

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[],new在申请空间失败时会抛出异常。

示例：

在这里插入图片描述

3.2 new和delete操作自定义类型

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。

代码示例：

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
    //执行的时候就能看到

    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
    //这一块的反汇编语言（vs2022）：
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C

    00007FF679842889  mov         ecx,4  
    00007FF67984288E  call        qword ptr [__imp_malloc (07FF679854488h)]  
    00007FF679842894  mov         qword ptr [p3],rax 

    int* p4 = new int;

    00007FF6798428B4  mov         rcx,qword ptr [p3]  
    00007FF6798428B8  call        qword ptr [__imp_free (07FF679854490h)]  
    00007FF6798428BE  nop  
   
    free(p3);
    delete p4;




}

四、operator new与operator delete 函数

4.1 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，
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。

4.2 new和delete的实现原理

内置类型与malloc/free基本类似

自定义类型：

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。
delete函数的原理：在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作，调用重载（operator delete）释放对象的空间。
new T[ N ]/delete T[ N ]的原理：调用operator new[]/operator delete[] 函数，在operator new[]/operator delete[] 中实际调用operator new/operator delete[] 函数完成N个对象空间的申请/释放,在申请的空间上执行N次构造函数/析构函数

基本函数：

// 全局默认的 operator new 和 operator delete
void* operator new(size_t size);        // 分配 size 字节的内存
void operator delete(void* ptr) noexcept; // 释放 ptr 指向的内存

// 数组版本（通常不建议直接使用）
void* operator new[](size_t size);
void operator delete[](void* ptr) noexcept;

代码示例：

int main()
{
    // 申请空间+构造函数
    A* p2 = new A(10);
    A* p3 = new A[5];

    // 析构函数 + 释放空间
    delete p2;
    delete[] p3;

    return 0;
}

五、placement new(定位new表达式 )

概念：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
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

应用场景：

内存池：预先分配大块内存，避免频繁调用分配器
性能优化：在栈或静态内存上构造对象，减少堆碎片
低级内存操作：如实现自定义容器（如std::vector的扩容机制）

六、C和C++内存管理的区别

区别malloc、free、new、delete：

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释放