C++内存管理篇

文章目录

  • [1. C/C++内存分布](#1. C/C++内存分布)
  • [2. C++中的内存管理方式](#2. C++中的内存管理方式)
  • [3. operator new和operator delete函数](#3. operator new和operator delete函数)
  • [4. new和delete的实现原理](#4. new和delete的实现原理)
  • [5. 定位new表达式(placement-new)](#5. 定位new表达式(placement-new))

1. C/C++内存分布


C语言中,为了方便管理内存空间,将内存分成了不同的区域,每个区域管理不同的数据

C++中,保持着跟C语言一样的内存区域划分

C++ 复制代码
int main() 
{
	int a = 0; 
	const int b = 1; 
    //很多人有个误区,认为被const修饰的变量在常量区 
    //实际上,被const修饰的变量叫做常变量,它本质还是个变量,只不过有了常属性 
    //因此b是在栈区上的 
	cout << &a << endl; 
	cout << &b << endl; 

	char arr1[] = "abcd"; 
	const char* arr2 = "abcd"; 

	arr1[0]++; 
	//arr2[0]++; 
	((char*)arr2)[0]++; 
    //即使将arr2强转成char*,程序在运行的过程中也会崩溃,暴力修改常量区的数据 

	return 0; 
}

2. C++中的内存管理方式


C++语言中,我们用malloc/calloc/realloc/free函数进行内存的开辟和释放,对内存进行管理

C++中,这些函数依然可用,但在使用上是比较麻烦的;因此C++中增加了new和delete操作符,使用这两个操作符进行内存的管理

  • C语言使用的是函数进行内存管理
  • C++中new和delete是操作符,不是函数
C++ 复制代码
int main()
{
	//申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	//申请一个int类型的空间并初始化
	int* p2 = new int(1);

	//申请一个数组
	int* p3 = new int[10];

	//C++11支持
	//申请一个数据并初始化
	int* p4 = new int[10]{ 1,2,3 };

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

	return 0;
}

相比于C语言中利用函数管理内存,C++中的管理内存方式有哪些好处:

  1. 用法更加简洁

  2. 可以控制初始化

  3. 对于自定义类型,开辟空间+自动调用对应的构造函数

    C++ 复制代码
    struct ListNode
    {
    public:
    	ListNode(int val)
    		:_val(val)
    		, _next(nullptr)
    	{}
    
    	int _val;
    	ListNode* _next;
    };
    
    int main()
    {
    	ListNode* node1 = new ListNode(1);
    	ListNode* node2 = new ListNode(2);
    	ListNode* node3 = new ListNode(3);
    
    	delete node1;
    	delete node2;
    	delete node3;
    
    	return 0;
    }
  4. new失败了以后抛异常,不需要手动检查

    C++ 复制代码
    void Func2()
    {
    	int n = 1;
    	while (1)
    	{
    		int* p = new int[1024 * 1024 * 10];
    		cout << n << "->" << p << endl;
    		n++;
    	}
    }
    
    int main()
    {
    	try
    	{
    		Func2();
    	}
    	catch (const exception& e)
    	{
    		cout << e.what() << endl;
    	}
    	return 0;
    }
  5. 对于自定义类型,申请空间时,new会调用对应的构造函数;delete会调用对应的析构函数

    C++ 复制代码
    class A
    {
    public:
    	A(int a = 0)
    		:_a(a)
    	{
    		cout << "A(int a)" << endl;
    	}
       
    	~A()
    	{
    		cout << "~A()" << endl;
    	}
       
    private:
    	int _a;
    };
C++ 复制代码
int main()
{
   	A* p1 = new A(1);//调用一次构造
   	delete p1;//调用一次析构
    
	A* p2 = new A[10];//调用十次构造
	delete[] p2;//调用十次析构
    
	return 0;
}

3. operator new和operator delete函数


看到operator+操作符,第一直觉会以为这是对new和delete操作符的重载函数,但其实它们不是重载函数

实际上,这两个函数是系统提供的全局函数

在底层,new通过调用operator new函数来实现申请空间;delete通过调用operator delete函数来时间空间的释放

operator new函数最终通过malloc函数申请空间,申请成功则返回,否则抛异常

operator delete函数最终通过free函数释放空间

可以看到,new和delete的最底层还是使用的malloc和free函数,只不过是对它进行了一系列封装

4. new和delete的实现原理


对于内置类型:

  • 两者的效果差不多,不同的是new在申请空间失败时抛异常,malloc则返回NULL

对于自定义类型:

  • new会调用operator new函数申请空间,再在申请的空间上调用构造函数
  • delete会调用析构函数完成对象中的资源清理,再调用operator delete释放对象的空间
  • new T[n]会调用operator new[]函数,operator new[]函数会调用operator new函数申请n个对象的空间
  • delete[]会调用n次析构函数,完成n个对象中资源的清理,再调用operator delete[]函数,operator delete[]安徽念书会调用operator delete函数,释放n个对象的空间
C++ 复制代码
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p3 = new A[10];
	delete[] p3;

	return 0;
}

当然,不是所有情况都会留出一块空间存放对象个数

内置类型不需要析构,也就不会留出空间

没有显示定义析构函数的自定义类型也不会留出空间,因为没有显示定义析构函数,就认为不需要析构函数释放对象中的资源

new和delete使用时一定要对应,否则可能会出现不确定的结果

C++ 复制代码
int main()
{
	// 程序能运行,但不推荐
	int* p1 = new int(1);
	delete[] p1;//error 正确的写法:delete p1

	// 若A显示定义析构函数,程序陷入无限调用析构的死循环中
	// 若A没有显示定义析构函数,程序能运行,但不推荐
	A* p2 = new A(1);
	delete[] p2;//error 正确的写法:delete p2

	// 程序能运行,但不推荐
	int* p3 = new int[10];
	delete p3;//error 正确的写法:delete[] p3

	// 若A显示定义析构函数,程序报错,原因是释放的位置错了
	// 若A没有显示定义析构函数,程序能运行,但不推荐
	A* p4 = new A[10];
	delete p4;//error 正确的写法:delete[] p4

	return 0;
}
C++ 复制代码
// C语言创建不带哨兵位的链表
typedef int DataType;

struct ListNode
{
	DataType val;
	struct ListNode* next;
};

struct ListNode* CreateNewNode(DataType val)
{
	struct ListNode* newNode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	if (newNode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newNode->next = NULL;
	newNode->val = val;
	return newNode;
}

struct ListNode* CreateList(int n)
{
	struct ListNode* head = CreateNewNode(-1);
	struct ListNode* tail = head;

	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		struct ListNode* temp = CreateNewNode(i);
		tail->next = temp;
		tail = tail->next;
	}

	struct ListNode* cur = head->next;
	free(head);
	return cur;
}

int main()
{
	struct ListNode* head = CreateList(5);
	return 0;
}

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

	int _val;
	ListNode* _next;
};

// C++创建不带哨兵位的链表
ListNode* CreateList(int n)
{
	ListNode head(-1);
	ListNode* tail = &head;
	int val = 0;
	printf("请依次输入值:>");
	for (int i = 1; i <= n; i++)
	{
		cin >> val;
		ListNode* newNode = new ListNode(val);
		tail->_next = newNode;
		tail = tail->_next;
	}
	return head._next;
}

int main()
{
	ListNode* list = CreateList(5);
	return 0;
}

5. 定位new表达式(placement-new)


在某些场景下,我们向内存申请的空间没有初始化,比如向内存池申请的空间,如果是自定义类型的对象,我们可以使用new的定义表达式进行显示调用构造函数进行初始化

C++ 复制代码
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

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

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p1)A(1);

	p1->~A();
	operator delete(p1);

	return 0;
}

malloc/free和new/delete的区别:

  • 共同点:都是从堆上申请空间,需要自己手动释放空间

  • 不同点:

    用法上:

    1. malloc/free是函数;new/delete是操作符
    2. malloc申请的空间不会初始化;new会初始化
    3. malloc申请空间时,需要手动计算空间大小;new只需加上空间类型即可,想创建多个对象,只需在[]里加上对象的个数
    4. malloc的返回值为void*,需要做强转处理;new的返回值就是空间类型,不需要处理
    5. malloc申请空间失败时返回NULL,因此使用时必须先判空;new不需要,但new需要捕获异常

    底层特性上:

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