从零开始c++精讲：第三篇——内存管理

劲夫学编程2024-01-21 15:54

文章目录

一、C/C++内存分布

为什么要有内存区域的划分呢？
因为不同数据有不同的存储需求，各区域满足不同的需求。

栈（堆栈）：一般存放临时用的，比如非静态局部变量/函数参数/返回值等，栈是向下增长的。

堆：有动态使用的需求，需要的时候你给我，不需要的时候你释放。也就是出了函数作用域，这个变量不会自动销毁，只有我不需要它了才销毁。

数据段（静态区）：需要长期使用/整个运行期间都使用的。比如全局数据或静态数据。

代码段（常量区）：只读数据不修改。比如可执行代码/只读常量。

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）

实战演练


globalval：是全局变量，在静态区

staticGlobalVal：被static修饰的全局变量，还是在静态区
ps：globalval和staticGlobalVal的区别是在链接属性，globalval可在各个文件可用，staticGlobalVal只在当前文件可用

staticVal：被static修饰的局部变量，还是在静态区
ps：staticGlobalVal可在当前文件用，staticVal只能在所处函数中用。
但是对于生命周期而言，globalval和staticGlobalVal和staticVal是一样的

localVar：一个简单的临时变量，存储在栈上，没啥好说的

num1：虽然是个数组但也是一个临时变量，存储在栈上

char2：这个和num1类似的，都是数组，只不过类型变了。还是存储在栈上

*char2：相当于把指针指向内容解引用，数组上的元素还是在栈内的。

pchar3：是一个指针，定义在栈上。这里的const修饰的是指针指向的内容，不是修饰的指针。

*pchar3:是指针指向的内容，而指针指向的内容是被const修饰的，它是在常量区的

ptr1：本身是一个栈上的变量，它指向一个堆上的空间

*ptr1：是指针的解引用，指针是指向堆的，解引用就是堆那片空间。

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

c 复制代码 
void Test ()
{
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？
free(p3 );
}

三、C++中动态内存管理

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，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。

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p1 = new int;// 动态申请一个int类型的空间

	int* p2 = new int[10];//申请10个空间
	
	//ps:内置类型默认不初始化，只是单纯开空间

	//如果想初始化，则单个数据加圆括号，多个数据加花括号，括号里面附上初始化内容
	int* p3 = new int(1);
	int* p4 = new int[3]{1,2,3};
	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3 };//初始化的数量不够整个数组大小，则剩下的默认是0

	delete p1;
	delete[] p2;
	delete p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;

	return 0;
}


ps：c++的new比起c语言的malloc的好处在哪里1？
malloc不方便动态申请自定义对象的初始化问题。
new更方便自定义类型的初始化

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//malloc不方便动态申请自定义对象的初始化问题
	A* p1 = new A;//自定义类型，不给参数调用默认构造函数
	A* p2 = new A(1);//给了参数，调用所给参数的构造函数

	//初始化多个对象
	//法一：
	A aa1(1);
	A aa2(2);
	A aa3(3);
	A* p3 = new A[3]{aa1,aa2,aa3};

	//法二：匿名对象的方法
	A* p4 = new A[3]{ A(1),A(2),A(3) };

	//法三：让编译器自己去调构造函数
	A* p5 = new A[3]{ 1,2,3 };

	delete p1;//delete会调用析构函数+释放空间
	delete p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;
	return 0;
}

再举个例子：

cpp 复制代码 
struct ListNode
{
	int _val;
	ListNode* _next;

	ListNode(int val)
		:_val(val)
		, _next(nullptr)
	{}
};

int main()
{
	//相比c语言，c++就不用再写什么createNode函数了，你之间用new开空间就行
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n1 = new ListNode(2);
	ListNode* n1 = new ListNode(3);
}

ps：内置类型的对象申请释放，new和malloc除了用法，其他没有区别。但是自定义类型，new可以自己初始化。

对于自定义类型，new和delete会自动开空间，也会自动调构造和析构函数

cpp 复制代码 
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "Stack(int capacity=4)" << endl;
		_a = new int[capacity];
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
int main()
{
	Stack s1;

	Stack *p1 = new Stack;//也可以直接开辟一个栈的大小（指针4字节，加两个4字节的int）
	return 0;
}

你也可以直接new一个Stack大小的空间，然后用p1指向这块空间，内存中情况如下：

p1指向这个对象大小的空间，然后构造函数里的a又new了一块数组。

而在调delete的时候，是先清理构造函数请求的那块空间，也就是_a指向的空间。然后再释放栈对象（也就是p1指向的空间）。否则你先把栈对象释放了，那栈对面里面的_a指向的空间就找不到了。


四、operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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operator delete库里的全局函数，封装了malloc和free

cpp 复制代码 
class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "Stack(int capacity=4)" << endl;
		_a = new int[capacity];
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
int main()
{
	//Stack *p1 = new Stack;//也可以直接开辟一个栈的大小（指针4字节，加两个4字节的int）
	//delete p1;

	Stack* p2 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
	operator delete(p2);
	//p2这种用法功能是和C语言的malloc和free是一样的
	//operator new不会调用构造，operator delete也不会调用析构
	return 0;
}

operator new 和operator delete功能上和malloc和free功能上是一样的，但是如果开空间或者销毁空间失败之后，是抛异常的，这是C语言的malloc和free没有的。

另外，如果你是开一个自定义类型的数组，它会自动给你开辟一个sizeof（自定义类型）*数量的空间大小

后面调用delete，会先调用10次析构函数（会先让p3往前4个字节，找到要析构几次的值，这里是10），再往后就是调用operate delete[ ]（ps：operate delete[ ]内部又会调用10次operate delete，然后是更底层的free函数）

五、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

六、定位new表达式(placement-new)（了解）

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

七、常见面试题

7.1 malloc/free和new/delete的区别

7.2内存泄漏


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