C/C++内存分布及管理方式

【写在前面】

在 C 语言中我们也学过内存管理，可转至动态内存管理那些事：malloc、calloc、realloc、free

C/C++ 的内存管理跟 JAVA 这些语言是不同的 —— JAVA 的程序不是直接跑在操作系统上的，JAVA 是在 JVM 虚拟机上运行的；C/C++ 的程序是直接跑在 OS 上的，这也是为什么我们学习 C/C++ 要学习内存管理的原因，所以 C/C++ 的学习者需要对系统了解的更深，而对于系统的知识更多的会在 Linux 系统编程的阶段去学习。

这里我们会学习 new/delete 的使用，以及 new/delete 的底层原理。

一、C/C++内存分布

💦 填空题 && 选择题

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
 	int localVar = 1;
 	const int localVal1 = 1;
 
	int num1[10] = {1, 2, 3, 4};
 	char char2[] = "abcd";
 	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);
}

🔑 选项：A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)

• globalVar 存储于数据段
• staticGlobalVar 存储于数据段
• staticVar 存储于数据段
• localVar 存储于栈
• localVar1 存储于栈
• num1 存储于栈
• char2 存储于栈
• *char2 存储于栈
• pChar3 存储于栈
• *pChar3 存储于代码段
• ptr1 存储于栈
• *ptr1 存储于堆

🔑 填空：

• sizeof(num1) = 40
• sizeof(char2) = 5
• sizeof(pChar3) = 4/8
• sizeof(ptr1) = 4/8
• strlen(char2) = 4
• strlen(pChar3) = 4

📝说明

注意这里比较容易出错的是：

💦 C/C++内存分布示意图

📝说明

栈 ❓

栈又叫堆栈，注意区分数据结构中的栈

函数调用建立栈帧，函数中的参数、局部变量都存在栈帧中

栈是向下增长的，比如 main 函数调用 f 函数：

堆 ❓

注意区分数据结构中的堆

malloc、calloc、realloc 都会在堆上开辟空间

堆是向上增长的，理论上后 malloc 的内存地址比先 malloc 的要大，但是也不一定，因为有可能下一次申请的是之前别人释放回来的：

内存映射段 ❓

内存映射段是高效的 I/O 映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享内存，做进程间通信。

虚拟内存 | 物理内存 ❓

虚拟内存跟物理内存要按页映射，就是对应起来。程序访问虚拟内存，实际要转到对应的物理内存。

内存区域特点 ❗

1. 这几个区域堆是很大的 —— 你可以认为如果在 32 位下虚拟内存总共占 4G ，内核占 1G，剩下的 3G 空间大部分都是堆的
2. 从图看，栈和堆差不多大，实际上栈很小 —— Linux下一般只有 8M，所以递归深度太深，很容易导致栈溢出 (Stack overflow)
3. 数据段和代码段也不是很大 —— 因为没有多少数据 (全局数据 + 静态数据)

🍳拓展

对于内存划分、虚拟内存和物理内存映射可以去看：

《深入理解计算机系统》-> 虚拟存储器

《程序员的自我修养》-> 编译链接、动态库等

二、C语言中动态内存管理方式

💦 malloc/calloc/realloc和free

p2 calloc一块空间后，p3又realloc p2，要对p2 free吗 ❓

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);
}

📝说明

这里涉及了 realloc 的开辟原理

所以对于上面程序的写法并不好：

【面试题】malloc/calloc/realloc的区别

malloc -> 开空间

calloc 等价于 malloc + memset(0) -> 开空间 + 初始化

realloc 单独使用时能实现 malloc 的效果 (不会初始化) -> 开空间 | 对 malloc/calloc 的空间扩容

三、C++内存管理方式

C 语言内存管理方式在 C++ 中可以继续使用，但有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦，因此 C++ 又提出
了自己的内存管理方式：通过 new 和 delete 操作符进行动态内存管理。

💦 new/delete操作内置类型

int main()
{
	//库函数
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	
	//操作符/关键字
	int* p2 = new int;
	delete p2;

	return 0;
}

📝说明

malloc/free 和 new/delete 有什么区别 ❓

• 如果动态申请的对象是内置类型，那么 malloc 和 free 没有区别
• 如果动态申请的对象是自定义类型，那么 malloc 和 free 有区别

💦 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0/*int b = 0*/)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;	
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;	
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p3);
	
	A* p4 = new A;
	//A* p4 = new A(10);
	//A* p4 = new A(10, 20);
	delete p4;
	
	//数组
	int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(p5);

	int* p6 = new int[10];
	delete[]p6;

	A* p7 = new A[10];//调用10次构造
	delete[]p7;//调用10次析构
	
	return 0;
}

📝说明

• 对于内置类型 malloc/free 仅仅会开空间/释放空间
• 对于自定义类型 new/delete 不仅仅会开空间/释放空间，还会调用构造函数和析构函数 —— 调用构造函数时还可以传参，且可以传多个参数

注意我们在 new A 类时不需要默认构造函数；但是在 new A[10] 时则需要默认构造函数

在 C++ 中建议尽量使用 new/delete，因为 malloc/free 能做到的，new/delete 也能做到；new/delete 能做到的，malloc/free 不一定能做到。

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[]

这种特性有什么用 ❓

struct ListNode
{
	int _val;
	ListNode* _next;
	ListNode(int val)
		: _val(val)
		, _next(nullptr)
	{}
};
int main()
{
	//C
	ListNode* n1 = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
	n1->_val = 1;
	n1->_next = nullptr;

	//C++
	ListNode* n2 = new ListNode(1);
	
	return 0;
}

牛角尖问题 ❓

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
free(p1);
delete p1;

int* p2 = new int;
delete p2;
free(p2);

int* p2 = new int[10];
delete[]p2;
delete[10]p2;
delete p2;//err
free p2;/err

📝说明

注意，一定要匹配使用：malloc ↔ free 、new ↔ delete、new 类型[] ↔ delete[]类型，否则可能会崩溃。