C++内存管理篇

大时代11052024-03-10 10:05

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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