C++ 侯捷内存管理

C++ 的内存获取机制：

void* p1 = malloc(512);
free(p1);

complex<int>* p2 = new complex<int>;
delete p2;

void* p3 = ::operator new(512);
::operator delete(p3);

//GNUC
void* p4 = alloc::allocate(512);
alloc::deallocate(p4, 512);

//GNUC4.9
void* p5 = allocator<int>().allocate(7); //分配7个int
allocator<int>().deallocate((int*)p5, 7);

表达式 new delete

new的步骤：

申请一段指定类大小的空间：new —> operator new —> malloc
转化为对应类类型
调用类构造函数

在operator new的源码中，有个std::nothrow_t& _THROW0()参数，表示这个函数不抛异常，取而代之的是返回一个空指针，用户通过判断是否为空指针来判断是否分配成功。

array new、array delete

array new是分配一个对象数组，通常容易犯得一个错误是在delete的时候忘记在delete后面加[]导致内存泄漏的问题。

replacement new

允许我们将对象分配在已经构建的内存中

他不会进行内存分配，而是调用重载的operator new，用于返回已经分配好的内存，转型、调用构造函数。

#include<new>
char* buf = new char[sizeof(Complex)* 3];
Complex* pc = new(buf) Complex(1, 2); // replacement new!!!
Complex* pc = new Complex(1, 2);

函数operator new()、operator delete()

重载::operator new / ::operator delete

全局重载：

inline void* operator new(size_t size){
	cout << "global new() " << endl;
	return malloc(size);
}

inline void* operator new[](size_t size){
	cout << "global new[]() " << endl;
	return malloc(size);
}

在类中重载::operator new / ::operator delete更有用（array new / array delete重载也是一样的方法）：

我们重载这两个函数，是为了接管内存分配的工作，接管它了有什么用呢？很有用，比如说可以做一个内存池（这个就是之前讲STL的时候的__pool_allocator）：

为什么重载的operator new是static呢？因为希望实现的这个内存池是这个类的所有对象都能使用的！

我们可以重载operator new()的前提是：每一个版本的声明都必须有独特的参数列，其中第一个参数必须是size_t，其余参数以new所制定的replacement arguments为初值。

只有在上述的重载replacement new抛出异常的时候，才会调用相应的operator delete（这个需要自己去实现），因为在重载replacement new抛出异常，那么说明内存分配不成功，但是可能已经申请好内存，那么我们应该去处理申请好的这个内存。

static allocator

new handler

=default =delete

delete 我不要，default 使用默认的版本

分配器 allocator

分配器分配途径：allocator—>allocate—>::operator new—>malloc

我们想要把operator new / delete抽取出来形成单独的一个类allocator，是的这个类和内存分配的分配细节剥离开，这样，需要内存管理的类，就调用allocator。这就是STL中分配器的实现思路。

VC6的标准分配器

这个编译器的allocator没有任何特殊设计，单纯是调用malloc，分配是以对象元素为单位。

GNU C 2.9

设计是内存池的思想。16个指针指向16条链表，每条链表分配不同大小的内存空间，从左往右每一条链表间隔8个字节。理论上是这样的，但是在代码实现的时候，是首先申请一个大的内存块，然后在大的内存块上进行切分，所以不同链表之间会有连线。

每个链表会申请nx8x20x2字节的内存空间，n代表第n条链表，20表示将内存最多切分成20个子内存块，2表示会申请2倍大小的内存用于战备。这些内存空间是cookie free的。

如果申请的内存大于128字节，那么就有malloc来管理，就不归这个pool管理了。

源码中deallocate没有free操作（源于先天设计缺陷），即只要被pool申请空间之后，就不会再还回操作系统了。对于一个程序来说，这个也没有什么大不了的，但是对于一台机器来说，不止运行一个程序，这是有弊端的。这可能就是为什么GNU4.9把它替换回去的原因？

C函数malloc、free

malloc分配出的内存块

组成：

头尾两个cookie存放当前内存块大小，是否分配出的信息
debug header用于debug
真实分配的内存块

分配出的内存块大小必须是16字节的倍数，也就是16字节内存对齐。

VC6和VC10的malloc比较

CRT：C RunTime
SBH：Small Block Heap

VC6：如果申请的内存小于1016，则是SBH服务，否则，用操作系统的HeapAlloc；
VC10：全部由操作系统的HeapAlloc分配内存，但是小内存的分配工作也被整合到HeapAlloc中了。

VC6内存分配细节

SBH首次分配内存详细步骤

总体的malloc如上图。总的来说，就是为了添加debug信息，申请具体的内存，方便内存管理。

_heap_init()做的事是分配16个头，16个头的数据结构如下，使用这个数据结构使得每个header能够管理1M的内存，1M内存能够快速分配，快速回收。一个header包括两个指针，一个指针指向自己管理的内存，一个指针指向管理内存中心。详细见步骤6。这些bit用于存放链表的状态，是否挂载上page。

_ioinit()负责第一次分配内存：根据是不是debug的模式，调用不同的内存分配策略。debug直接调用malloc，非debug则分配256字节的内存：

_heap_alloc_dbg()负责在debug模式下，加上一些调试信息（debug header），这些调试信息就是下面的数据结构_CrtMemBlockHeader。这些调试信息包括：调试文件名，行号，数据大小，间隔符。绿色的地方就是填充我们最后要申请分配的内存。被分配的内存会被指针串起来形成一条链表。

_heap-alloc_base()根据申请的大小来判断（是否大于1016，为什么是1016？因为要留给cookie八字节的内存）是要自己提供服务还是交由操作体统来服务。

__sbh_alloc_block()用于字节对齐，加首尾cookie。处理完之后的内存块如下图右上角的图。cookie利用最后的一个bit来代表这个内存块是否被分配出去，1表示已分配，0表示未分配。

__sbh_alloc_new_region()：内存管理中心数据结构就是tagRegion，管理区块是不是被分配，在不在内存分配链表上。为了管理好1M的内存空间，花了16K的内存（tagRegion数据结构）。

__sbh_alloc_new_group()：4K一个page。一个header管理1M内存，这个1M内存会被分成32块（组，每个组由32对指针组成，即双向链表），32块分别由内存管理中心的数据结构来管理，每一个块又会被分成8个page，一个page占4K，使用链表将这些page连起来，连起来之后首尾接到绿箭头指向的双向链表中。完成这些工作之后，申请一块内存，得到内存，初始化，内存申请就成功了。