C/C++内存管理（含C++中new和delete的使用）

Xpccccc2023-11-29 20:45

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C/C++内存管理（含C++中new和delete的使用）

1、C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题。

cpp 复制代码 
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;

int main() {
    static int staticVar = 1;
    int localVar = 1;
    int num1[10] = {1, 2, 3, 4};
    char char2[] = "abcd";
    const char *pChar3 = "abcd";
    int *ptr1 = (int *) malloc(sizeof(int) * 4);
    int *ptr2 = (int *) calloc(4, sizeof(int));
    int *ptr3 = (int *) realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
    free(ptr1);
    free(ptr3);
    return 0;
}
//1. 选择题：
// 选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
// globalVar在哪里？____  staticGlobalVar在哪里？____
// staticVar在哪里？____  localVar在哪里？____
// num1 在哪里？____
//
// char2在哪里？____  *char2在哪里？___
// pChar3在哪里？____   *pChar3在哪里？____
// ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____
//2. 填空题：
// sizeof(num1) = ____; 
//sizeof(char2) = ____;  strlen(char2) = ____;
// sizeof(pChar3) = ____;   strlen(pChar3) = ____;
// sizeof(ptr1) = ____;
//3. sizeof 和 strlen 区别？
//
  • 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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
    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。

所以1.选择题有答案了。

那么2.填空题答案是：之前学过不讲了哈哈。

其中3.sizeof 和 strlen 区别？

答：strlen遇到\0结束，strlen算字符串长度，sizeof算变量大小。

2、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

malloc、calloc 和 realloc 是在C语言中用于动态内存分配的三个函数，它们有一些区别，主要体现在它们的功能和用法上。

  1. malloc（Memory Allocation，内存分配）:

    • malloc 是 "memory allocation" 的缩写，用于分配指定大小的内存块。
    • 它只分配内存，不对内存进行初始化，所以分配的内存中可能包含任意值。
    c 复制代码 
    void* malloc(size_t size);

  2. calloc（Contiguous Allocation，连续分配）:

    • calloc 也是用于分配内存的函数，但与 malloc 不同的是，calloc 分配的内存块会被初始化为零。
    • calloc 接受两个参数，分别是所需的元素个数和每个元素的大小。
    c 复制代码 
    void* calloc(size_t num_elements, size_t element_size);

  3. realloc（Re-allocation，重新分配）:

    • realloc 用于重新分配已分配内存的大小，可以用于扩大或缩小内存块的大小。
    • 如果原始内存块的地址不为空，realloc 会尝试在原始地址上修改内存块的大小（如果新内存大小大于这块原始空间，则还是需要重新开辟内存），如果原始地址为空，则行为类似于 malloc。
    c 复制代码 
    void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

总结：

  • malloc 只分配指定大小的内存块，不进行初始化。
  • calloc 分配指定数量和大小的内存块，并将内存块的所有位初始化为零。
  • realloc 重新分配内存块的大小，可以用于扩大或缩小已分配内存的大小。
cpp 复制代码 
int main() {
    int *p1 = (int *) malloc(sizeof(int));
    free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
    int *p2 = (int *) calloc(4, sizeof(int));
    int *p3 = (int *) realloc(p2, sizeof(int) * 10);
// 这里需要free(p2)吗？ --- 看情况
    free(p3);
    return 0;
}

3、C++动态内存管理

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力（比如给对象初始化），而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1、new/delete操作内置类型

cpp 复制代码 
int main() {
    // 动态申请一个int类型的空间
    int *ptr4 = new int;

    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int *ptr5 = new int(10);

    cout << *ptr5 << endl;
    // 动态申请10个int类型的空间
    int *ptr6 = new int[3];
    // 动态申请10个int类型的空间并初始化前3个
    int *ptr7 = new int[3]{1, 2, 3};
    cout << ptr7[0] << ptr7[1] << ptr7[2] << ptr7[3];
    
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
    delete[] ptr7;
}
  • 初始化格式：
    • 单个元素空间：new 类型 (初始化值)
    • 连续空间：new 类型 [元素个数] {从前往后元素初始化值，其余元素初始化为0}
  • 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。

3.2、new/delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

    ~Date() {
        cout << "~Date()" << endl;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    Date *ptr1 = new Date();
    Date *ptr2 = new Date(2, 2, 2);

    Date *ptr3 = new Date[10]{{1, 2, 2}};

    free(ptr1);
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
    return 0;
}
  • 初始化格式：
    • 单个元素空间：new 类型 (初始化值)
    • 连续空间：new 类型 [元素个数] {从前往后元素初始化值使用{}代表每一个元素的值，其余元素初始化为0}
  • new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数。

4、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 ：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
  • operator delete 最终是通过free来释放空间的。
cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

    ~Date() {
        cout << "~Date()" << endl;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    //operator new -- 不调用构造函数 和 malloc 基本一样
    Date *ptr6 = (Date *) operator new(sizeof(Date));

    delete new(ptr6) Date;
    ptr6 = nullptr;
    return 0;
}

5、new和delete的实现原理

5.1、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。

5.2、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

这里我们需要注意一个现象：对于内置类型在new T[N]时候，往往开辟的内存空间会大于N*sizeof(T)，可能会多出4个字节。

原本这里ptr2开辟的空间size应该是12*10 = 120，但是这里显示124，其中4个字节是用来存储开辟连续Date对象的个数。

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

    ~Date() {
        cout << "~Date()" << endl;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    Date* ptr1 = new Date;
    delete ptr1;

    Date* ptr2 = new Date[10];
    delete[] ptr2;
    return 0;
}

但是如果是内置类型new T[N]，则不需要另外的空间存个数。

原本这里ptr3开辟的空间size应该是4*10 = 40，并且这里显示40，即没有开辟空间存个数。

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

    ~Date() {
        cout << "~Date()" << endl;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    Date* ptr1 = new Date;
    delete ptr1;

    Date* ptr2 = new Date[10];
    delete[] ptr2;
  
  	int* ptr3 = new int[10];
		delete[] ptr3;
    return 0;
}

原因：这多出来的4个字节是用来记录开辟T大小连续空间的个数，以便于delete [] 进行析构和释放空间。

这里如果不写析构函数(默认成员变量没有开辟空间，如果开辟了空间，必须调用析构函数释放空间，不然会内存泄露)的话就不报错，因为成员变量都是内置类型没有开空间，不需要调用析构函数，也就不需要在前面添加4字节存个数，即自定义类型new T[N]可以直接delete，内置类型也一样。

cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
//        _a = new int[10];
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

//    ~Date() {
//        cout << "~Date()" << endl;
//    }

private:
//    int* _a;
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    Date *ptr1 = new Date;
    delete ptr1;

    Date *ptr2 = new Date[10];
    // 这里如果不写析构函数(默认成员变量没有开辟空间，如果开辟了空间，必须调用析构函数释放空间，不然会内存泄露)的话就不报错
    // 因为成员变量都是内置类型没有开空间，不需要调用析构函数，也就不需要在前面添加4字节存个数
    delete ptr2;
    return 0;
}

原本这里ptr2开辟的空间size应该是12*10 = 120，并且这里显示120，即没有开辟空间存对象个数。

6、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
  • 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。
cpp 复制代码 
class Date {
public:
    Date() : _year(1), _month(1), _day(1) {
        cout << "Date()" << endl;
    }

    Date(int year, int month, int day) : _year(1), _month(1), _day(1) {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
        cout << "Date()" << endl;
    }

    ~Date() {
        cout << "~Date()" << endl;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};


int main() {
    Date *p = (Date *) operator new(sizeof(Date));
    // 不能显式调用构造函数
    // p->Date();
    // 定位new可以显式调用构造函数
    new(p)Date(1, 1, 1);
    p->~Date();

    return 0;
}

OKOK，C/C++内存管理就到这里。如果你对Linux和C++也感兴趣的话，可以看看我的主页哦。下面是我的github主页，里面记录了我的学习代码和leetcode的一些题的题解，有兴趣的可以看看。

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