C++动态内存管理详解

1.C/C++程序地址空间

计算机物理内存的大小是固定的，在32位系统上，地址空间可达4G（2^32），这4G按照3:1的比例分配给用户进程和内核。程序地址空间的构成：从上往下依次是：内核空间、栈区、共享区、堆区、未初始化数据区、初始化数据区、代码区。而动态内存管理所申请的空间都是在堆区，在堆区动态开辟的空间都需要我们手动去释放它，否则会造成内存泄漏。

内核空间：操作系统相关代码

栈区：从高地址向低地址增长

共享区：加载动态库，共享内存

堆区：从低地址向高地址增长

未初始化全局数据区

已初始化全局数据区

代码区：可执行代码及只读常量

2.C语言动态内存管理

(1)malloc

void* malloc(size_t size);

malloc()函数只有一个参数，即要分配的内存空间的大小。

如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针，如果开辟失败，则返回一个空指针，因此每次申请完空间都需要判空。
malloc()函数返回值的类型是void*，在使用时需要自己强制转换。

(2)calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc()函数有两个参数，分别是元素的数目和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小。
malloc申请后空间的值是随机的，并没有进行初始化，而calloc在申请后，对空间逐一进行初始化，并设置值为0;
calloc由于给每一个空间都要初始化，所以效率必然比malloc低。

(3)realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size);

realloc()函数就实现对 动态开辟 内存大小的调整。

realloc()函数包含两个参数，分别是要调整的内存地址和调整的新大小。

realloc在调整内存空间时有两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间，我们就把需要扩展的内存直接放到原来空间的后面，原来空间的数据不发生变化。

情况2：原有空间之后没有足够大的空间，那就在堆上找一个合适大小的连续空间，将原来内存中的数据移动到新空间，然后将这个新空间的地址返回。

(4)free

void* free(void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的函数。

3.C++动态内存管理

(1)C++为什么要设计一套自己专属的动态内存管理方式?

C++作为一门在C语言的基础上发展而来的语言，它本身是完全兼容C语言的，也就是说，C语言的动态内存管理方式在C++中依旧可以正常使用。那它为什么还要设计一套属于自己的动态内存管理方式呢？

在C++中，使用malloc/free申请或释放内置类型的空间并没有任何问题，但我们知道C++引入了类和对象的概念，而这一点带来的影响就是并不能使用malloc从堆上为对象申请空间，因为malloc并不会去主动的去调用构造函数，这意味着其并不能成为真正的对象。所以如果使用malloc只是申请了一段和对象同样大小的空间而言，并非对象。同理使用free并不能释放堆上对象的空间，因为free并不会调用析构函数去释放对象中的资源。

而且C++所提供的动态内存管理方式使用起来更加方便、简单，对用户更加友好，并且不用去担心空间可能会申请失败的情况。

(2)new/delete定义

new操作符的格式：

new 类型;
new 类型(初值);
new 类型[];

delete操作符的格式：

delete 指针变量；
delete[] 指针变量；

1)new/delete操作内置类型

int main(){
	int *p1 = new int; //动态申请一个int类型的空间
	int *p2 = new int(10);  //动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int *p3 = new int[3];  //动态申请10个int类型的空间
	//释放申请的空间
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	return 0；
}

2)new/delete操作自定义类型

//定义一个简单的类
class Data{
public:
	//构造函数
	Data(int data = 0) : _data(data)
	{
		cout << "Data() :" << this << endl;
	}
	//析构函数
	~Data()
	{
		cout << "~Data() : " << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};
int main()
{
	Data *d1 = new Data;  //申请单个Data类型的对象
	Data *d2 = new Data(10);  //申请单个Data类型的对象并初始化
	Data *d3 = new Data[5];  //申请5个Data类型的对象
	//依次释放申请的对象资源
	delete d1;
	delete d2;
	delete[] d3;
	//使用new/delete为类对象申请或释放空间时会主动调用构造函数/析构函数完成对象的构造/资源的清理。
	return 0;
}

(3)new/delete的实现原理

new 和 delete在堆上申请和释放空间的时候，在底层实际上调用的是operator new和operator delete两个全局函数。

而operator new和operator delete最终还是调用malloc和free来申请和释放空间。

1)new/delete内置类型的原理

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。也就是说使用new操作符不需要进行判空。

2)new/delete自定义类型的原理

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

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[]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

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，在operator delete[]中实际调用operator delete来释放空间

4.malloc/free和new/delete的区别

共同点：

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

1.malloc和free是函数，new和delete是C++中的操作符

2.malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化

3.malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上类型即可

4.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

5.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

6.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

5.内存泄漏

内存泄漏是指你向系统申请分配内存进行使用（new/malloc），然后系统在堆内存中给这个对象申请一块内存空间，但当我们使用完了却没有归还给系统（delete），导致这个不使用的对象一直占据内存单元，造成系统将不能再把它分配给需要的程序。
一次内存泄漏的危害可以忽略不计，但是内存泄漏堆积则后果很严重，无论多少内存，迟早会被占完，造成内存泄漏。

总结