【C++】内存管理和模板基础（new、delete、类及函数模板）

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前言

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             今日更新了内存管理和模板的内容
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内存分布

 从语言的角度看，数据段叫静态区，代码段叫常量区。从操作系统来看，就叫数据段和代码段。

对于栈来讲，生长方向是向下的，也就是向着内存地址减小的方向；对于堆来讲，它的生长方向是向上的，是向着内存地址增加的方向增长 

说明：

1. 栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 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。
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

 下面来做几道题：

分析： num1是数组名，数组名代表整个数组，数组是在栈上的；“abcd\0”在常量区，char2会在栈上开辟数组，然后把常量区的字符串拷贝到数组中，跟num1一样；*char2是首元素a，a也是在栈上的；const修饰的不代表在常量区，不是常量，只是常变量。pchar3是栈上的指针变量，所以*pchar3指向的是字符串，在常量区；

下面几道不讲解：

C++内存管理方式 

C++通过new和delete操作符进行动态内存管理。

new/delete操作内置类型

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[]，注意：匹配起来使用。 

 new和delete操作自定义类型

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。

operator new实际就是对malloc的封装，是给底层用的。就像sizeof是在编译时作用，运行后直接变成底层指令。 

 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和malloc在使用上没啥区别。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。 因为c++要符合面向对象，失败要抛异常，因此用operator new来封装malloc。

 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

 下图是new在底层的原理 ：

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

 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

malloc/free和new/delete的区别

共同点：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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

内存泄漏

内存泄漏指一块不再使用的空间，没有释放。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，因而造成了内存的浪费。

 模板

泛型编程

泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

函数模板

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

格式：template <typename T1, typename T2,……,typename Tn>

返回值类型 函数名(参数列表){}

 注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

如上图，有了模板，编译器就会根据传入的实参生成对应类型的函数。不过以后swap不需要我们自己写了，c++库里面有，我们可以直接用。 

 用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。 

1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

 如上图，因为实参a1和d1是不同类型的，编译器推演时，无法确定T要转成什么类型，就会报错。下面是解决方法。

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型 

模板参数的匹配原则

一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数

对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数,那么将选择模板

模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换

类模板

定义格式 

类模板可以让我们更方便写出两个不同数据类型的类。

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<> 中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。 

如上图，Stack类名，Stack<int>才是类型。

注意：类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表。

如下图：

注意：类模板中的函数不能声明和定义分离到两个不同的文件。