c++内存管理

1、静态全局变量、全局变量、静态局部变量、局部变量的区别

静态全局变量、全局变量的区别

静态全局变量和全局变量都存储在全局/静态存储区

静态全局区只在本⽂件有效，不可extern到其他⽂件，⽽全局变量可以extern到别的⽂件中调⽤。

如果别的⽂件中定义了⼀个和该全局变量相同的变量名，会报错。
静态局部变量（⽐如函数内部的变量⽤ static 修饰）、局部变量的区别

静态局部变量是属于常量区的，⽽函数内部的局部变量属于栈区；

静态局部变量在该函数调⽤结束时，不会销毁，⽽是随整个程序结束⽽结束，但是别的函数调⽤不了该变量，局部变量随该函数的结束⽽结束；

如果定义这两个变量的时候没有初始值时，静态局部变量会⾃动定义为0，⽽局部变量就是⼀个随机值；

静态局部变量在编译期间只赋值⼀次，以后每次函数调⽤时，不在赋值，调⽤上次的函数调⽤结束时的值。局部变量在调⽤期间，每调⽤⼀次，赋⼀次值。

在c++中，内存分为 5 个区，
- 堆区heap：分配堆区内存也叫动态内存分配。程序在运⾏的时候使⽤ malloc 申请任意多少的内存，程序员⾃⼰负责在何时⽤ free 释放内存。动态内存的⽣命周期由程序员决定，使⽤⾮常灵活，但如果在堆上分配了空间，既有责任回收它，否则运⾏的程序会出现内存泄漏，频繁的分配和释放不同⼤⼩的堆空间将会产⽣内存碎⽚，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。
- 栈区：在执⾏函数时，函数内局部变量的存储单元可以在栈上创建，函数执⾏结束时，这些内存单元会⾃动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集，效率⾼，但是分配的内存容量有限。⾥⾯的变量通常是局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。由编译器⾃动分配释放。
- ⾃由存储区：就是那些由 new/delete 等分配的内存块，他和堆是⼗分相似的，也是⽤户来申请释放内存。
- 全局/静态存储区：内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运⾏期间都存在。例如全局变量，static静态全局变量。程序结束后由系统释放。
- 常量存储区：存放常量、字符串、静态局部变量，程序结束后有系统释放。
  
  在所有函数体外定义的是全局量，加了static修饰符后不管在哪⾥都存放在全局区（静态区）,⽽且表⽰在该⽂件中有效，不能extern到别的⽂件⽤。在函数体内定义的static（静态局部变量）表⽰只在该函数体内有效。另外，函数中像 “adgfdf” 这样的字符串存放在常量存储区
```
char *p1; //全局未初始化区，全局存储区
void main(){int b; //栈，局部变量
char s[] = "abc"; //栈，局部变量
char *p2; //栈，局部变量
char *p3 = "123456"; // “123456” 在常量区，p3在栈上
static int c = 0; //全局（静态）初始化区
p1 = (char *)malloc(10); //分配得来得10字节的区域在堆区
p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得20字节的区域在堆区
strcpy(p1, "123456"); // “123456” 放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成⼀块
}
```
堆与栈的关系和区别
- 分配效率上。现代计算机有专门的寄存器指向栈所在的地址，有专门的机器指令（push，pop）完成数据⼊栈出栈的操作，这种机制的特点是效率⾼，⽀持的数据有限，⼀般是整数，指针，浮点数等系统直接⽀持的数据类型，并不直接⽀持其他的数据结构。因为栈的这种特点，对栈的使⽤在程序中是⾮常频繁的。⽽堆的数据结构并不是由系统(⽆论是机器系统还是操作系统)⽀持的，⽽是由函数库提供的。基本的malloc/realloc/free 函数维护了⼀套内部的堆数据结构。从以上知识可知，栈是系统提供的功能，特点是快速⾼效，缺点是有限制，数据不灵活；⽽堆是函数库提供的功能，特点是灵活⽅便，数据适应⾯⼴泛，但是效率有⼀定降低。栈空间分静态分配和动态分配两种。静态分配是编译器完成的，⽐如⾃动变量(auto)的分配。动态分配由alloca函数完成。栈的动态分配⽆需释放(是⾃动的)，也就没有释放函数。为可移植的程序起见，栈的动态分配操作是不被⿎励的！堆空间的分配总是动态的，虽然程序结束时所有的数据空间都会被释放回系统，但是精确的申请内存/ 释放内存匹配是良好程序的基本要素。
- 碎⽚问题：对于堆来讲，频繁的new/delete 或者 malloc/free 势必会造成内存空间的不连续，从⽽造成⼤量的碎⽚，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，以⾄于永远都不可能有⼀个内存块从栈中间弹出，在他弹出之前，在他上⾯的后进的栈内容已经被弹出。
- ⽣长⽅向：对于堆来讲，⽣长⽅向是向上的，也就是向着内存地址增加的⽅向；对于栈来讲，它的⽣长⽅向是向下的，是向着内存地址减⼩的⽅向增长。
- 分配⽅式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有 2 种分配⽅式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，⽐如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进⾏分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进⾏释放，⽆需我们⼿⼯实现。
```
int* p=new int[5];  //  new 分配了⼀块堆内存(也可以叫⾃由存储区)，指针p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。delete []p; // 删除不是⽤ delete p，应该是delete [] p，这是为了告诉编译器删除的是⼀个数组
```

new 和 malloc 的区别

参考：前⾔。

malloc 只是简单的申请内存， new 还会检查是否申请成功，并且负责调⽤构造函数（如果有的话）， new ⽐ malloc 要好的多，建议使⽤。其实，在 new 中，也是调⽤ malloc 申请内存的，只不过封装的更好，更安全。

申请时的内存所在位置

new 操作从⾃由存储区上为对象动态分配内存空间，⽽ malloc 函数从堆上为对象动态地分配内存空间。⾃由存储区是C++基于 new 操作符的⼀个抽象概念，凡是通过 new 操作符进⾏内存申请，该内存即为⾃由存储区。⽽堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的⼀块特殊内存，⽤于程序的内存动态分配，C语⾔使⽤ malloc 从堆上分配内存，使⽤ free 释放已分配的对应内存。
那么⾃由存储区和堆区的区别？或者说那么⾃由存储区是否能够是堆（问题等价于new是否能在堆上动态分配内存）？

这取决于 new 操作符的实现细节。⾃由存储区不仅可以是堆，还可以是静态存储区，这得看 new 操作符在哪⾥为对象分配内存。特别的， new 甚⾄可以不为对象分配内存，⽐如定位new —⼈为找到⼀块分配内存的地址，⽽不让系统随机分配地址。
new operator 和 operator new 的区别？调⽤new的时候编译器做了什么？

new 就是 new operator ，调⽤ new 的时候编译器做了三件事:
1. ⽤operator new( ) 分配内存。new的底层是调⽤operator new( )分配内存的。该函数调⽤malloc申请内存。
2. 是调⽤构造函数（就是new 的类类型或者 string 等类型的构造函数）。这⼀步是使⽤ placement new（定位new）来实现的，即在取得了⼀块可以容纳指定类型对象的内存之后，在这块内存上构造⼀个对象
3. 返回相应数据类型的指针。

new(new operator) 和 malloc 的主要区别。

返回类型的安全性

new 操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，⽆须进⾏类型转换，故 new 是符合类型安全性的操作符。⽽ malloc 内存分配成功则是返回 *void *** ，需要通过强制类型转换将 void 指针转换成我们需要的类型。类型安全很⼤程度上可以等价于内存安全，类型安全的代码不会试图分配⾃⼰没被授权的内存区域。
内存分配失败时的返回值

new 内存分配失败时，会抛出 bac_alloc异常，它不会返回 NULL ； malloc 分配内存失败时返回 NULL 。
是否需要指定内存⼤⼩

使⽤ new 操作符申请内存分配时⽆须指定内存块的⼤⼩，编译器会根据类型信息⾃⾏计算，⽽ malloc 则需要显式地指出所需内存的尺⼨。

class A{...}
A * ptr = new A;
A * ptr = (A *) malloc(sizeof(A)); //需要显式指定所需内存⼤⼩sizeof(A);⽽且 malloc(sizeof(A)) 只是返回⼀个空类型的指针，需要经过 (A*)强制转换成 A 类型

是否调⽤构造函数/析构函数

使⽤new操作符来分配对象内存时会经历三个步骤：
- 调⽤ operatornew 函数（对于数组是operator new[]）分配⼀块⾜够⼤的，原始的，未命名的内存空间以便存储特定类型的对象。
- 编译器运⾏相应的构造函数以构造对象，并为其传⼊初值。
- 对象构造完成后，返回⼀个指向该对象的指针。
使⽤delete操作符来释放对象内存时会经历两个步骤：
- 调⽤对象的析构函数。
- 编译器调⽤operatordelete(对于数组是 operator delete[])函数释放内存空间。
总之来说， new/delete 会调⽤对象的构造函数/析构函数以完成对象的构造/析构，⽽ malloc 则不会。例⼦如下：
```
class A{ public:
A() :a(1), b(1.11){}
private:
int a; double b;
};
int main(){A * ptr = (A*)malloc(sizeof(A));
// A * ptr = new A;
return 0;
}
```
在 return 处设置断点，观看 ptr 所指内存的内容：

可以看出 A 的默认构造函数并没有被调⽤，因为数据成员 a,b 的值并没有得到初始化。⽽⽤ new 来分配对象是，可以看到 A 的默认构造函数被调⽤了。
对数组的处理

C++提供了 new[] 与 delete[] 来专门处理数组类型：
```
A * ptr = new A[10];//分配10个A对象
delete [] ptr; // 使⽤new[]分配的内存必须使⽤delete[]进⾏释放
delete ptr; // 这种做法并不会出现内存泄漏，但是不建议⽤
```
new 对数组的⽀持体现在它会分别调⽤构造函数函数初始化每⼀个数组元素，释放对象时为每个对象调⽤析构函数。注意 delete[] 要与 new[] 配套使⽤，不然会出现数组对象部分释放的现象，造成内存泄漏。

⾄于 malloc ，它并知道你在这块内存上要放的数组还是啥别的东西，反正它就给你⼀块原始的内存，在给你个内存的地址就完事。所以如果要动态分配⼀个数组的内存，还需要我们⼿动⾃定数组的⼤⼩：
```
int * ptr = (int *) malloc( sizeof(int)* 10 );//分配⼀个10个int元素的数组
```

new与malloc是否可以相互调⽤

new 的实现（operator new /operator delete）可以基于 malloc，只是封装的更好，更安全。⽽malloc的实现不可以去调⽤new。

void * operator new (sieze_t size){ // 可以看出 new 的实现依靠 malloc
if(void * mem = malloc(size) return mem;
else
throw bad_alloc();
}
void operator delete(void *mem) noexcept{ free(mem);
}

是否可以被重载

opeartor new /operator delete 可以被重载。标准库是定义了operator new函数和operator delete函数的8个重载版本，我们有⾜够的⾃由去重载 operator new /operator delete ,以决定我们的 new/delete 如何为对象分配内存，如何回收对象。⽽ malloc/free 并不允许重载。
能否直观地重新分配内存

使⽤ malloc 分配的内存后，如果在使⽤过程中发现内存不⾜，可以使⽤ realloc 函数进⾏内存重新分配实现内存的扩充。 realloc 先判断当前的指针所指内存是否有⾜够的连续空间，如果有，原地扩⼤可分配的内存地址，并且返回原来的地址指针；如果空间不够，先按照新指定的⼤⼩分配空间，将原有数据从头到尾拷贝到新分配的内存区域，⽽后释放原来的内存区域。(类似于 vector 的扩容)。

⽽ new 没有这样直观的配套设施来扩充内存。
客户处理内存分配不⾜

在 operator new 抛出异常以反映⼀个未获得满⾜的需求之前，它会先调⽤⼀个⽤户指定的错误处理函数，这就是 new-handler ,这个函数程序员可以重新编写决定内存不⾜以分配时要⼲什么事。⽽ malloc ，客户并不能够去⾃定义编程决定内存不⾜以分配时要⼲什么事，只能看着 malloc 返回 NULL 。

总结：malloc给你的就好像⼀块原始的⼟地，你要种什么需要⾃⼰在⼟地上来播种。⽽new帮你划好了⽥地的分块（数组），帮你播了种（构造函数），还提供其他的设施供⽤户使⽤。在C++这种偏重OOP的语⾔，使⽤new/delete是更合适的。

new 的⽤法**

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