C/C++内存管理(malloc/free、new/delete)

1. C语言中动态内存管理方式

 1.1 malloc/free

 void* malloc (size_t size);
 void free (void* ptr);

malloc函数向内存==(堆)==申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

• 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NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查 。
• 返回值的类型是void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

 1.2 calloc

  void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。

• 注：与函数 malloc 的区别只在于 calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0 。

 1.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

• 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整

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

• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间。
• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
  情况1：原有空间之后有足够大的空间
  情况2：原有空间之后没有足够大的空间

2. 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。

 2.1 new/delete操作内置类型

voidTest(){// 动态申请一个int类型的空间int* ptr4=newint;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr5=newint(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr6=newint[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[ ]

 2.2 new和delete操作自定义类型

classTest{public:Test():_data(0){
		cout<<"Test():"<<this<<endl;}~Test(){
	cout<<"~Test():"<<this<<endl;}private:int _data;};voidTest2(){// 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);}voidTest2(){// 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;}

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。

3. 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 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。
下面代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new/ operator delete，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。

struct ListNode{
	ListNode* _next;
	ListNode* _prev;int _data;void*operatornew(size_t n){void* p=nullptr;
		p= allocator<ListNode>().allocate(1);
		cout<<"memory pool allocate"<< endl;return p;}voidoperatordelete(void* p){
		allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p,1);
		cout<<"memory pool deallocate"<< endl;}};classList{public:List(){
		_head=new ListNode;
		_head->_next= _head;
		_head->_prev= _head;}~List(){
		ListNode* cur= _head->_next;while(cur!= _head){
			ListNode* next= cur->_next;delete cur;
			cur= next;}delete _head;
		_head=nullptr;}private:
	ListNode* _head;};intmain(){
	List l;return0;}

4. new和delete的实现原理

1.内置类型
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。
2.自定义类型

• 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

3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
4. 调用operator delete函数释放对象的空间

• new T[N]的原理

4. 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
5. 在申请的空间上执行N次构造函数

• delete[ ]的原理

6. 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
7. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

5. 定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是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 或者
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

使用场景：
定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

classTest{public:Test():_data(0){
		cout<<"Test():"<<this<<endl;}~Test(){
		cout<<"~Test():"<<this<<endl;}private:int _data;};voidTest(){// pt现在指向的只不过是与Test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
	Test* pt=(Test*)malloc(sizeof(Test));new(pt) Test;//如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参}