c++動態記憶體管理

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一、記憶體的簡要瞭解

說到記憶體，很多人應該都多多少少有點瞭解了，我們在這再稍微多說幾句：

　　一般我們可以把記憶體理解為三個部分：靜態區，棧，堆。有些朋友搞不清到底什麼是棧什麼是堆，堆棧有多人會認為是堆和棧，兩個放在一塊。其實不然，其中我們口中講的堆棧就是棧，而不是堆。堆的英文是heap ；棧的英文是stack（也翻譯為堆棧）。

 

儲存內容：

　　靜態區：儲存自動全域變數和static變數（包括static全域和局部變數）。靜態區的內容在整個程式的生命週期內都存在，有編譯器在編譯的時候分配（資料區段（儲存全域資料和待用資料）和程式碼片段（可執行檔代碼/唯讀常量））。

　　棧：儲存局部變數。棧上的內容只在函數範圍記憶體在，當函數運行結束的時候，這些內容也會自動銷毀。其特點是效率高但是空間大小有限。

　　堆：由malloc系列函數或者new操作符分配的記憶體。其生命週期由free和delete決定。在沒有釋放之前一直存在，直到函數結束。其特點是使用靈活，空間比較大，但容易出錯。

 

　　我們用一張圖來簡單看下： 　　值得注意的一點是：程式碼片段中儲存的是可執行檔代碼和唯讀常量，很多人看到程式碼片段就認為裡面只有代碼，資料區段裡面才是儲存資料的，其實不是這樣的。 

二、malloc、calloc、realloc

三者的簡單對比：

malloc 　　函數原型：(void*)malloc(unsigned size);(位元組數)

malloc函數在記憶體中開闢的是一塊連續的空間，size是所需要空間的長度，開闢的大小為size*參數類型，開闢完之後返回這塊空間的首地址。

 

calloc　　  函數原型：void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElements);(元素的個數， 單個元素的位元組數)

和malloc相似，它也是開闢一塊連續的空間，空間的大小為：元素的個數*單個元素的位元組數。

 

realloc  　  函數原型：void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);(地址，位元組數)

給一個已經分配地址的指標重新分配空間，參數ptr為原有的空間指標，newsize為重新申請的地址長度。它與malloc的區別就是如果你給的指標是NULL，那麼你使用的就是malloc，如果你給出的指標是一個已經分配了地址的指標（ptr），那麼你使用的就是realloc。

 

區別：

（1）函數malloc不能初始化所分配的空間，而函數calloc能，也就是說，如果由malloc函數分配的空間原來沒有被分配過，則其中每一位都可能是0；反之，如果這一塊資料區塊原來被分配過，那裡面可能遺留著各種各樣的資料。所以，當你在使用malloc開闢一塊新空間的時候，要重新初始化那一塊空間（一般調用memset函數來初始化空間）。否則在多次釋放、開闢之後，可能會出現使用錯誤。

（2）calloc函數會將所分配的記憶體空間中的每一位都初始化為0（這也是它和malloc的主要不同處之一）。也就是說，如果你是為字元類或者整形類的元素分配空間，那麼這些元素會保證被初始化為0；如果你是為指標類函數分配記憶體，那麼這些元素都會被初始化為空白指標。

（3）malloc向系統申請size個位元組的空間，申請完之後返回的是這個空間的首地址，類型為void*，而void*表示未確定的類型，在c/c++中void*可以被強轉成任意類型的指標。

（4）realloc可以對給定的指標所指向的空間進行擴大或者縮小，無論是擴大還是縮小，原有記憶體中的內容將保持不變（如果對於縮小之後的空間，被縮小的那部分空間內的資料還是會丟失）。realloc並不保證調整後的記憶體空間和原來的記憶體空間保持同一個地址。相反，realloc指標很可能指向一個新的地址。

（5）realloc是從堆上分配空間的，但當你進行擴大的時候，realloc會試圖從堆上現存的資料後面的那些位元組中擷取附加的位元組，如果能滿足，就剛好。但如果後面的位元組數不夠，其就會使用堆上第一個有足夠大小的自由塊，然後將現存的資料拷貝到新的位置，將老塊放回到堆上。在這個過程中，資料會被移動。也就是說，當你使用realloc的時候，資料可能被移動。

 

三、有關malloc的一些擴充（選自《高品質c/c++編程指南（林銳）》）

malloc 

malloc的原型：(void*)malloc(int size)（int也可以是unsigned，int只是其中的一種特例）

　　malloc函數的傳回值是一個void類型的指標，參數為int類型資料，即申請分配的記憶體大小，單位是byte。記憶體配置成功之後，malloc函數返回這塊記憶體的首地址。你需要一個指標來接受這個地址。但是由於函數的傳回值是void*類型，所以必須強制轉換成你所接收的類型。也就是說，這塊記憶體將來要儲存什麼類型的資料。比如：

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

在堆上面分配了100個位元組記憶體，返回這塊記憶體的首地址，把地址強制轉換成char*類型後賦給char*類型 的指標變數p。同時告訴我們這塊記憶體將來用來儲存char*類型的資料。也就是說你只能通過指標變數p來操作這塊記憶體。這塊記憶體本身並沒有名字，對它的訪問是匿名訪問。

 

記憶體釋放

　　有分配就一定有釋放。malloc對應的就是free函數。free函數只有一個參數，就是要釋放的記憶體塊的首地址。比如：free(p);

free函數做的事情：斬斷指標變數與這塊記憶體的關係。就像上面的例子一樣malloc函數開闢的這一個資料區塊空間是屬於p的，你只能通過p來訪問這一塊資料區塊空間，而free函數做的事情就是斬斷malloc和p之間的聯絡。但是p指標本身存放的地址並沒有發生變化，只是它對指標所指向的那塊記憶體已經沒有所有權了，不能對記憶體塊進行操作。而那塊記憶體塊裡面的資料也沒有被改變，只是你沒有辦法去訪問或者修改那塊資料快中的內容了。

　　malloc和free是一一對應的，如果malloc兩次但是只free一次就會存在記憶體流失，如果malloc一次但是free了兩次，就會出錯（第一次使用free的時候，malloc所開闢的空間就已經被釋放，第二次使用free就無記憶體空間可以釋放了，這種對記憶體的誤操作就有可能會導致程式的崩潰）。

　　

　　函數的記憶體釋放完後，一定要把p指標置為NULL。為什嗎？

　　從上面可以看出，free掉之後p只是切斷了和記憶體空間的關係，但是p指標本身內部依舊存在一個地址，如果不把它置成空，那這個指標就會變成一個野指標（懸垂指標），遲早會出事。

例子：

1 char* p = (char*)malloc(100);2 strcpy(p, "hello");3 free(p);//可以看到這邊已經釋放了p所指向的那一塊空間，但是p本身儲存的地址並沒有改變4 if(NULL != p)//判斷不起作用，起不到防護作用5 {6      strcpy(p, "world");//p沒有分配空間，出錯。7 }

 

四、new/delete

　　前頭講了很多但好像還沒有講到c++的動態記憶體這方面。下面我們來進行一些討論。

　　我們知道c++是相容c的，那我們明明已經有了malloc和free來進行動態內容的管理，為什麼c++還要定義new和delete運算子來動態管理記憶體。

　　來看一下它們之間的區別和聯絡：

　　1.它們都是動態管理記憶體的入口。

　　2.malloc/free是c/c++標準庫的函數，new/delete是c++操作符。

　　3.malloc/free只是動態分配/釋放記憶體空間。而new/delete出來分配空間還會調用建構函式和解構函式進行初始化與清理。

　　4.malloc/free需要手動計算類型大小且會返回void*， new/delete可以自己計算類型的大小，返回對應類型的指標。

　　我們在c++中是允許進行重載的，那我們也可以重載一下new和delete，我在這就不做了（其實new和delete是不能重載的，即使你進行了重載，也只是重載了operator new和operator delete）。

　　

有關operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]

總結：

　　1.operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]的用法和malloc/free一樣。

　　2.它們只負責分配空間/釋放空間，不會調用物件建構函數和解構函式來初始化/清理對象。

　　3.實際operator new/operator delete  只是malloc和free的一層封裝。

 

五、new和delete在記憶體中所做的事

new做的事：1.調用operator new分配空間2.調用建構函式初始化空間 delete做的事：1.調用解構函式清理對象2.調用operator delete釋放空間 new[N]做的事：1.調用operator new分配空間2.調用N次建構函式分別初始化每個對象 delete做的事：1.調用N次解構函式清理對象2.調用operator delete釋放空間 用一張圖來解釋：

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