【C++篇】动态内存
一、Static 关键字1.1函数内部的静态变量1.2 全局静态变量1.3静态成员变量1.4静态成员函数 二、内存管理2.1栈区(Stack)2.2堆区（Heap） 三、动态内存分配机制3.1、动态内存分配的两种方法c语言c++ 3.2new 和delete的用法3.3语法和类型安全性3.4new和delete实现原理3.4.1内置类型3.4.2自定义类型 四、operator new与operator delete函数4.1 operator new4.2 operator delete4.3默认实现与工作原理4.4operator new 和 operator delete 的重载4.5 malloc/free和new/delete的区别链接: 基于上篇我们学习了构造函数、重载等，我们继续探究类与对象以及内存管理 (https://www.csdn.net/)
一、Static 关键字
定义：
静态数据成员：属于类本身，而不是类的某个对象。它在整个程序中只有一份拷贝，所有对象共享。静态成员函数：不依赖具体对象调用，不能访问非静态成员。特点：
静态数据成员在程序启动时分配内存，直到程序结束时释放。静态成员函数不能使用 this 指针，也不能直接访问非静态成员变量或成员函数。1.1函数内部的静态变量
当在函数内部声明一个变量为static时，这个变量的生命周期会延续到程序结束，但它的作用域仅限于该函数。换句话说，虽然它只能在定义它的函数内访问，但它不会在函数调用结束后被销毁。
示例如下：
#include <iostream> void counter() { static int count = 0; // 静态变量只会被初始化一次 count++; std::cout << "Count: " << count << std::endl; } int main() { counter(); // 输出 Count: 1 counter(); // 输出 Count: 2 counter(); // 输出 Count: 3 return 0; }1.2 全局静态变量
如果在文件级别（全局作用域）定义一个静态变量，它只能在当前文件内访问。这对于实现模块封装非常有用，可以防止命名冲突。
示例如下：
下面展示一些 内联代码片。
#include <iostream> static int globalVariable = 42; // 只能在此文件中使用 void display() { std::cout << "Global variable: " << globalVariable << std::endl; } int main() { display(); return 0; }1.3静态成员变量
在类中，使用static可以声明静态成员变量，它属于类而不是某个特定的对象。所有对象共享这个变量，静态成员变量在类的所有对象之间是相同的。
示例如下：
#include <iostream> class MyClass { public: static int staticValue; // 声明静态成员变量 MyClass() { staticValue++; } }; int MyClass::staticValue = 0; // 定义并初始化静态成员变量 int main() { MyClass obj1; MyClass obj2; std::cout << "Static Value: " << MyClass::staticValue << std::endl; // 输出 2 return 0; }1.4静态成员函数
静态成员函数是属于类的，而不是类的实例。它们只能访问静态成员变量或静态成员函数，不能访问非静态的成员变量和成员函数
示例如下：
#include <iostream> class MyClass { public: static int staticValue; static void display() { // 静态成员函数 std::cout << "Static Value: " << staticValue << std::endl; } }; int MyClass::staticValue = 10; int main() { MyClass::display(); // 通过类名访问静态成员函数 return 0; }二、内存管理
2.1栈区(Stack)
栈内存是由编译器自动管理的。函数调用时，局部变量会在栈上分配内存，当函数返回后，分配的内存会自动被释放。由于栈内存的这种自动管理特性，使用栈内存的分配和释放非常高效，但栈内存的大小是有限的，通常适合存储小型对象或简单的数据结构。
特点：
为局部变量和函数调用分配内存，生命周期由作用域决定。自动分配和释放，速度快，但大小有限。示例如下：
void stackExample() { int a = 10; // 栈分配} // 离开作用域后，a 自动销毁2.2堆区（Heap）
定义：
堆内存是由程序员手动管理的。通过new和delete运算符进行动态内存分配和释放。这种方法允许在运行时进行内存分配，因此可以根据需要分配更大的内存空间，但同时也增加了内存泄漏和碎片化的风险。
特性：
由程序员手动分配和释放，灵活性高，但容易出现内存泄漏。使用 new 和 delete 管理。示例如下：
int* p = new int(10); // 堆分配delete p; // 手动释放三、动态内存分配机制
动态内存分配是通过new和delete操作符完成的。new运算符用于在堆上分配内存，并返回指向分配的内存的指针；delete运算符则用于释放之前使用new分配的内存。
3.1、动态内存分配的两种方法
c语言
在C语言中，动态内存分配主要通过标准库函数（malloc、calloc、realloc、free）来完成。C语言不提供内置的类型安全机制，因此程序员需要手动管理内存的分配和释放。int* arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配内存free(arr); // 释放内存c++
在C++中，动态内存分配主要通过new和delete运算符来完成。与C语言不同，C++的内存管理提供了更丰富的语法，使得代码更加类型安全，并且支持构造和析构函数的调用。
示例如下：
int* arr = new int[10]; // 分配内存delete[] arr; // 释放内存3.2new 和delete的用法
分配单个对象：int* p = new int(42); // 分配并初始化delete p; // 释放内存int* arr = new int[10]; // 分配数组delete[] arr; // 释放数组3.3语法和类型安全性
C语言：使用malloc和free进行内存分配和释放。由于返回的是void*类型的指针，常常需要进行强制类型转换，缺乏类型安全保障。
C++：使用new和delete，内存分配后已经是目标类型，无需进行转换。此外，使用new时会调用对象的构造函数，delete会调用析构函数，这对于管理对象资源非常有用。
3.4new和delete实现原理
3.4.1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。
3.4.2自定义类型
new 原理 调用operator new函数申请空间在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造 delete原理 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作调用operator delete函数释放对象的空间 new T[N] 原理 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请在申请的空间上执行N次构造函数 delete[ ] 原理 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调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间四、operator new与operator delete函数
4.1 operator new
定义：
operator new 是 C++ 中用于分配内存的运算符，用于申请指定数量的内存块。与 C 语言的 malloc 相比，operator new 提供了一种类型安全的方式来分配内存，因为它返回的是指定类型的指针，而不是 void*。
特性·：
是 C++ 的内存分配函数，类似于 C 中的 malloc。被 new 关键字调用，用于在堆上分配足够的内存以容纳一个或多个对象。默认实现使用标准库的 malloc 来分配内存。如果分配失败，会抛出 std::bad_alloc 异常，而不是返回 nullptr。语法：
void* operator new(std::size_t size);4.2 operator delete
operator delete 是与 operator new 配对使用的函数，用于释放之前分配的内存。它的基本形式如下：
void operator delete(void* ptr);特性：
是 C++ 的内存释放函数，类似于 C 中的 free。被 delete 关键字调用，用于释放 operator new 分配的内存。默认实现使用标准库的 free 来释放内存。4.3默认实现与工作原理
operator new 的作用是分配一块大小为 size 的内存（以字节为单位），并返回指向分配内存的指针。它的默认实现可以表示如下：
void* operator new(size_t size) { if (size == 0) size = 1; // 确保最小分配单位 void* ptr = malloc(size); // 调用 C 的 malloc if (!ptr) throw std::bad_alloc(); // 分配失败抛异常 return ptr;}分配行为：
如果 size 为 0，operator new 会分配一个最小的非零内存块。使用 malloc 从堆上分配内存。如果 malloc 返回 nullptr（分配失败），operator new 会抛出异常。operator delete 的作用是释放 operator new 分配的内存块。它的默认实现如下：
void operator delete(void* ptr) noexcept { free(ptr); // 调用 C 的 free}释放行为：
如果传入的 ptr 是 nullptr，operator delete 不会执行任何操作。否则，它调用 free 将内存归还给系统。4.4operator new 和 operator delete 的重载
C++ 允许重载这些操作符，以便提供自定义内存管理策略。重载可以帮助跟踪内存分配、统计内存使用、实现自定义的内存池等。
示例如下：
#include <iostream> #include <cstdlib> void* operator new(std::size_t size) { std::cout << "Allocating " << size << " bytes\n"; void* p = std::malloc(size); if (!p) throw std::bad_alloc(); return p; } void operator delete(void* ptr) noexcept { std::cout << "Deallocating memory\n"; std::free(ptr); } int main() { int* p = new int(10); // Calls overloaded operator new std::cout << "Value: " << *p << std::endl; delete p; // Calls overloaded operator delete return 0; }在这个示例中，重载的 operator new 在每次内存分配时打印分配的字节数，而 operator delete 则在释放内存时打印相应的信息。
4.5 malloc/free和new/delete的区别
malloc/free和new/delete的共同点是：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最后
operator new 和 operator delete 是 C++ 提供的用于动态内存管理的操作符，提供了一种类型安全的方式来分配和释放内存始终确保内存分配和释放对称，避免内存泄漏和悬垂指针（指向已释放内存的指针称为悬垂指针，访问悬垂指针会导致未定义行为。）。推荐使用 智能指针，如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr，自动管理动态