c++动态内存管理

一、内存的简要了解

说到内存，很多人应该都多多少少有点了解了，我们在这再稍微多说几句：

　　一般我们可以把内存理解为三个部分：静态区，栈，堆。有些朋友搞不清到底什么是栈什么是堆，堆栈有多人会认为是堆和栈，两个放在一块。其实不然，其中我们口中讲的堆栈就是栈，而不是堆。堆的英文是heap ；栈的英文是stack（也翻译为堆栈）。

存储内容：

　　静态区：保存自动全局变量和static变量（包括static全局和局部变量）。静态区的内容在整个程序的生命周期内都存在，有编译器在编译的时候分配（数据段（存储全局数据和静态数据）和代码段（可执行的代码/只读常量））。

　　栈：保存局部变量。栈上的内容只在函数范围内存在，当函数运行结束的时候，这些内容也会自动销毁。其特点是效率高但是空间大小有限。

　　堆：由malloc系列函数或者new操作符分配的内存。其生命周期由free和delete决定。在没有释放之前一直存在，直到函数结束。其特点是使用灵活，空间比较大，但容易出错。

　　我们用一张图来简单看下：

 

　　值得注意的一点是：代码段中存储的是可执行的代码和只读常量，很多人看到代码段就认为里面只有代码，数据段里面才是存储数据的，其实不是这样的。

 

二、malloc、calloc、realloc

三者的简单对比：

malloc 　　函数原型：(void*)malloc(unsigned size);(字节数)

malloc函数在内存中开辟的是一块连续的空间，size是所需要空间的长度，开辟的大小为size*参数类型，开辟完之后返回这块空间的首地址。

calloc　　  函数原型：void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElements);(元素的个数， 单个元素的字节数)

和malloc相似，它也是开辟一块连续的空间，空间的大小为：元素的个数*单个元素的字节数。

realloc  　  函数原型：void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);(地址，字节数)

给一个已经分配地址的指针重新分配空间，参数ptr为原有的空间指针，newsize为重新申请的地址长度。它与malloc的区别就是如果你给的指针是NULL，那么你使用的就是malloc，如果你给出的指针是一个已经分配了地址的指针（ptr），那么你使用的就是realloc。

区别：

（1）函数malloc不能初始化所分配的空间，而函数calloc能，也就是说，如果由malloc函数分配的空间原来没有被分配过，则其中每一位都可能是0；反之，如果这一块数据块原来被分配过，那里面可能遗留着各种各样的数据。所以，当你在使用malloc开辟一块新空间的时候，要重新初始化那一块空间（一般调用memset函数来初始化空间）。否则在多次释放、开辟之后，可能会出现使用错误。

（2）calloc函数会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为0（这也是它和malloc的主要不同处之一）。也就是说，如果你是为字符类或者整形类的元素分配空间，那么这些元素会保证被初始化为0；如果你是为指针类函数分配内存，那么这些元素都会被初始化为空指针。

（3）malloc向系统申请size个字节的空间，申请完之后返回的是这个空间的首地址，类型为void*，而void*表示未确定的类型，在c/c++中void*可以被强转成任意类型的指针。

（4）realloc可以对给定的指针所指向的空间进行扩大或者缩小，无论是扩大还是缩小，原有内存中的内容将保持不变（如果对于缩小之后的空间，被缩小的那部分空间内的数据还是会丢失）。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个地址。相反，realloc指针很可能指向一个新的地址。

（5）realloc是从堆上分配空间的，但当你进行扩大的时候，realloc会试图从堆上现存的数据后面的那些字节中获取附加的字节，如果能满足，就刚好。但如果后面的字节数不够，其就会使用堆上第一个有足够大小的自由块，然后将现存的数据拷贝到新的位置，将老块放回到堆上。在这个过程中，数据会被移动。也就是说，当你使用realloc的时候，数据可能被移动。

 

三、有关malloc的一些扩展（选自《高质量c/c++编程指南（林锐）》）

malloc

malloc的原型：(void*)malloc(int size)（int也可以是unsigned，int只是其中的一种特例）

　　malloc函数的返回值是一个void类型的指针，参数为int类型数据，即申请分配的内存大小，单位是byte。内存分配成功之后，malloc函数返回这块内存的首地址。你需要一个指针来接受这个地址。但是由于函数的返回值是void*类型，所以必须强制转换成你所接收的类型。也就是说，这块内存将来要存储什么类型的数据。比如：

char* p = (char*)malloc(100);

在堆上面分配了100个字节内存，返回这块内存的首地址，把地址强制转换成char*类型后赋给char*类型 的指针变量p。同时告诉我们这块内存将来用来存储char*类型的数据。也就是说你只能通过指针变量p来操作这块内存。这块内存本身并没有名字，对它的访问是匿名访问。

内存释放

　　有分配就一定有释放。malloc对应的就是free函数。free函数只有一个参数，就是要释放的内存块的首地址。比如：free(p);

free函数做的事情：斩断指针变量与这块内存的关系。就像上面的例子一样malloc函数开辟的这一个数据块空间是属于p的，你只能通过p来访问这一块数据块空间，而free函数做的事情就是斩断malloc和p之间的联系。但是p指针本身存放的地址并没有发生变化，只是它对指针所指向的那块内存已经没有所有权了，不能对内存块进行操作。而那块内存块里面的数据也没有被改变，只是你没有办法去访问或者修改那块数据快中的内容了。

　　malloc和free是一一对应的，如果malloc两次但是只free一次就会存在内存泄漏，如果malloc一次但是free了两次，就会出错（第一次使用free的时候，malloc所开辟的空间就已经被释放，第二次使用free就无内存空间可以释放了，这种对内存的误操作就有可能会导致程序的崩溃）。

　　

　　函数的内存释放完后，一定要把p指针置为NULL。为什么？

　　从上面可以看出，free掉之后p只是切断了和内存空间的关系，但是p指针本身内部依旧存在一个地址，如果不把它置成空，那这个指针就会变成一个野指针（悬垂指针），迟早会出事。

例子：

 char* p = (char*)malloc();
 strcpy(p, "hello");
 free(p);//可以看到这边已经释放了p所指向的那一块空间，但是p本身存储的地址并没有改变
 if(NULL != p)//判断不起作用，起不到防护作用
 {
      strcpy(p, "world");//p没有分配空间，出错。
 }

四、new/delete

　　前头讲了很多但好像还没有讲到c++的动态内存这方面。下面我们来进行一些讨论。

　　我们知道c++是兼容c的，那我们明明已经有了malloc和free来进行动态内容的管理，为什么c++还要定义new和delete运算符来动态管理内存。

　　来看一下它们之间的区别和联系：

　　1.它们都是动态管理内存的入口。

　　2.malloc/free是c/c++标准库的函数，new/delete是c++操作符。

　　3.malloc/free只是动态分配/释放内存空间。而new/delete出来分配空间还会调用构造函数和析构函数进行初始化与清理。

　　4.malloc/free需要手动计算类型大小且会返回void*， new/delete可以自己计算类型的大小，返回对应类型的指针。

　　我们在c++中是允许进行重载的，那我们也可以重载一下new和delete，我在这就不做了（其实new和delete是不能重载的，即使你进行了重载，也只是重载了operator new和operator delete）。

　　

有关operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]

总结：

　　1.operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]的用法和malloc/free一样。

　　2.它们只负责分配空间/释放空间，不会调用对象构造函数和析构函数来初始化/清理对象。

　　3.实际operator new/operator delete  只是malloc和free的一层封装。

五、new和delete在内存中所做的事

new做的事：

1.调用operator new分配空间

2.调用构造函数初始化空间

 

delete做的事：

1.调用析构函数清理对象

2.调用operator delete释放空间

 

new[N]做的事：

1.调用operator new分配空间

2.调用N次构造函数分别初始化每个对象

 

delete做的事：

1.调用N次析构函数清理对象

2.调用operator delete释放空间

 

用一张图来解释：