C/C++内存管理详情

C/C++内存管理

内存管理是C++最令人切齿痛恨的问题，也是C++最有争议的问题，C++高手从中获得了更好的性能，更大的自由，C++菜鸟的收获则是一遍一遍的检查代码和对C++的痛恨，但内存管理在C++中无处不在，内存泄漏几乎在每个C++程序中都会发生，因此要想成为C++高手，内存管理一关是必须要过的，除非放弃C++，转到Java或者.NET，他们的内存管理基本是自动的，当然你也放弃了自由和对内存的支配权，还放弃了C++超绝的性能。
　　程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。

1. C/C++内存分布

在C++中，内存分成5个区，他们分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区。　　

• 栈：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
• 堆：就是那些由 new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个 delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。
• 自由存储区：就是那些由malloc等分配的内存块，他和堆是十分相似的，不过它是用free来结束自己的生命的。
• 全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有这个区分了，他们共同占用同一块内存区。
• 常量存储区：这是一块比较特殊的存储区，他们里面存放的是常量，不允许修改。　
  

明确区分堆与栈

堆与栈的区分问题，似乎是一个永恒的话题，由此可见，初学者对此往往是混淆不清的，所以我决定拿他第一个开刀。　

首先，我们举一个例子

void f() { int* p=new int[5]; }

这条短短的一句话就包含了堆与栈，看到new，我们首先就应该想到，我们分配了一块堆内存，那么指针p呢？他分配的是一块栈内存，所以这句话的意思就是：在栈内存中存放了一个指向一块堆内存的指针p。在程序会先确定在堆中分配内存的大小，然后调用operator new分配内存，然后返回这块内存的首地址，放入栈中。
这里，我们为了简单并没有释放内存，那么该怎么去释放呢？是delete p么？澳，错了，应该是delete [ ]p，这是为了告诉编译器：我删除的是一个数组，编译器就会根据相应的Cookie信息去进行释放内存的工作。

2. C语言中动态内存管理方式

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 );
}

2.1 malloc/calloc/realloc和free

malloc

malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.

void* malloc (size_t size);

size_t是unsigned int。

malloc:分配一块size Byte大小的内存空间，返回一个指向该块内存开始的指针，指针的类型是void
函数malloc不能初始化所分配的内存空间,而函数calloc能.如果由malloc()函数分配的内存空间原来没有被使用过，则其中的每一位可能都是0;反之, 如果这部分内存曾经被分配过,则其中可能遗留有各种各样的数据.也就是说，使用malloc()函数的程序开始时(内存空间还没有被重新分配)能正常进行,但经过一段时间(内存空间还已经被重新分配)可能会出现问题.

realloc

realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整.

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

realloc可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变.当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失.realloc并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址.相反，realloc返回的指针很可能指向一个新的地址.
realloc是从堆上分配内存的.当扩大一块内存空间时，realloc()试图直接从堆上现存的数据后面的那些字节中获得附加的字节，如果能够满足，自然天下太平；如果数据后面的字节不够，问题就出来了，那么就使用堆上第一个有足够大小的自由块，现存的数据然后就被拷贝至新的位置，而老块则放回到堆上.这句话传递的一个重要的信息就是数据可能被移动.

calloc

为一个大小为num的数组分配内存，每个元素的大小是size，把每个元素初始化为0。

 void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement); 

函数calloc() 会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零,也就是说,如果你是为字符类型或整数类型的元素分配内存,那么这些元素将保证会被初始化为0;如果你是为指针类型的元素分配内存,那么这些元素通常会被初始化为空指针;如果你为实型数据分配内存,则这些元素会被初始化为浮点型的零.

3. C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

int *i = new int;             //没有初始值
    int *j = new int(100);         //初始值为100
    int *iArr = new int[3];        //分配具有3个元素的数组
    delete i;                   //释放单个变量所占用的内存
    delete j;
    delete []iArr;               //释放数组所占用的内存

3.2 new和delete操作自定义类型

class Test
{
public:
 Test()
  : _data(0)
 {
  cout << "Test():" << this << endl;
 }
 ~Test()
 {
  cout << "~Test():" << this << endl;
 }

private:
 int _data;
};
void Test2()
{
 // 申请单个Test类型的空间
 Test* p1 = (Test*)malloc(sizeof(Test));
 free(p1);

 // 申请10个Test类型的空间
 Test* p2 = (Test*)malloc(sizoef(Test) * 10);
 free(p2);
}
void Test2()
{
 // 申请单个Test类型的对象
 Test* p1 = new Test;
 delete p1;

 // 申请10个Test类型的对象
 Test* p2 = new Test[10];
 delete[] p2;
}

从上例可看出，new调用了类Test的构造函数，而malloc只是分配了空间，并没有调用构造函数，因此会出现调用Test2函数时，输出的结果具有随机性。如果用free释放“new创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”，理论上讲程序不会出错，但是该程序的可读性很差。所以new/delete必须配对使用，malloc/free也一样。
上例中，Test为类的析构函数，对象离开作用域或被delete的时候会调用。指针p指向了一个堆上创建的Test对象，若用free来释放内存，则不会调用析构函数

4. operator new与operator delete函数

new和delete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

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 new 是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则返回NULL，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 是通过free来释放空间的

5. new和delete的实现原理

5.1、new

new操作针对数据类型的处理，分为两种情况：

（1） 简单数据类型（包括基本数据类型和不需要构造函数的类型）

• 简单类型直接调用operator new分配内存；
• 可以通过new_handler来处理new失败的情况；
• new分配失败的时候不像malloc那样返回NULL，它直接抛出异常。要判断是否分配成功应该用异常捕获的机制；

（2）复杂数据类型（需要由构造函数初始化对象）　

new 复杂数据类型的时候先调用operator new，然后在分配的内存上调用构造函数。

5.2、delete

delete也分为两种情况：

• 简单数据类型（包括基本数据类型和不需要析构函数的类型）delete简单数据类型默认只是调用free函数。
• 复杂数据类型（需要由析构函数销毁对象）delete复杂数据类型先调用析构函数再调用operator delete。

5.3、new 数组

new[]也分为两种情况：

•  简单数据类型（包括基本数据类型和不需要析构函数的类型）针对简单类型，new[]计算好大小后调用operator new。
• 复杂数据类型（需要由析构函数销毁对象）针对复杂类型，new[]会额外存储数组大小。

5.4、delete 数组

delete[]也分为两种情况：

• 简单数据类型（包括基本数据类型和不需要析构函数的类型）针对简单类型，delete和delete[]等同。
• 复杂数据类型（需要由析构函数销毁对象）针对复杂类型，new[]出来的内存只能由delete[]释放。