🧑💻第三章 C/C++内存管理与模板🧑💻
引言：
内存管理是C++最有争议的问题之一，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。
文章目录
一、C/C++中程序区域划分
C/C++ 程序中的内存分为六个部分：
💡解释说明：
- 栈又叫堆栈–非静态局部变量/局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的，一般是有规定大小的，Linux下栈是8M
- 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共享内存，做进程间通信。 - 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。堆比较大，一般有接近2G左右的空间
- 数据段–存储全局数据和静态数据。
- 代码段–可执行的代码/只读常量（“hello worrld”）。
二、C语言中动态内存管理方式
malloc / calloc / realloc / free
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| void *malloc(int num); | 在堆区分配一块指定大小的内存空间，用来存放数据。这块内存空间在函数执行完成后不会被初始化，它们的值是未知的。 |
| void *calloc(int num, int size); | 在内存中动态地分配 num 个长度为 size 的连续空间，并将每一个字节都初始化为 0。等价于malloc+memset |
| void *realloc(void *address, int newsize); | 该函数重新分配内存，把内存扩展到 newsize。有足够空间就原地扩容，没有足够空间就异地扩容 |
| void free(void *address); | 该函数释放 address 所指向的内存块,释放的是动态分配的内存空间。 |
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。
C++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。
1.new/delete操作内置类型
new / delete 和 malloc / free针对内置类型没有任何差异，只是语法不同。
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
// 动态申请一个int类型的空间
int* p2 = new int;
int* p3 = new int[5];// 动态申请5个int类型的空间
int* p4 = new int(10); // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p5= new int[5]{1,2,3};// C++11支持new[]用{}初始化，c++98不支持
free(p1);
delete p2; //new/delete，new[]/delete[]一定要匹配，否则可能会出错
delete[] p3;
delete p4;
delete[] p5;
💡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[]，注意：匹配起来使用。
2.new/delete操作自定义类型
new / delete 和 malloc / free在申请自定义类型的空间时，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 ，new / delete 是为自定义类型准备的。
👇
//1、堆上申请空间 2、调用析构函数初始化
A* p1 = new A;
A* p2 = new A(10);
A* p3 = new A[2];
//1、调用析构函数清理对象中资源 2、释放空间
delete p1;
delete p2;
delete[]p3;
💡总结：
1、C++中如果是申请内置类型对象或数组，malloc和new没什么区别
2、如果是自定义类型，区别很大，new是开空间+初始化，delete是析构清理+释放空间，malloc和free仅仅是开空间+释放空间
3、建议在C++中，无论是内置类型还是自定义类型的申请释放，尽量使用new和delete。
4、new失败不需要检查返回值，它是抛异常。
3. malloc/free和new/delete的共同点和区别
共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
不同的地方是：
- 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。
4. 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。
内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，是指针丢了，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
四、new和delete操作符
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，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。
封装malloc，失败抛异常，符合C++封装和抛异常的机制。operator delete 最终是通过free来释放空间的。
💡注意：一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间时候有某些特殊的需求。
比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。
2. new和delete的实现原理
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。
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 | 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 T[N]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，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。 |
3. 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。
A* p = (A*)operator new(sizeof(A));//p现在指向的只不过是与A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
new(p)A(10); //显示调用构造函数初始化这块空间
p-> ~A(); //显示调用析构函数
operator delete(p);