【C++】拆分详解 - 内存管理

文章目录

• 前言
• 一、C/C++内存分布
• 二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
• 三、C++内存管理方式
• • [  3.1 new/delete操作内置类型](#  3.1 new/delete操作内置类型)
  • [  3.2 new和delete操作自定义类型](#  3.2 new和delete操作自定义类型)
  • [  3.3 operator new与operator delete函数](#  3.3 operator new与operator delete函数)
• 四、new和delete的实现原理
• • [  4.1 内置类型](#  4.1 内置类型)
  • [  4.2 自定义类型](#  4.2 自定义类型)
  • • [   4.2.1  底层原理分析](#   4.2.1  底层原理分析)
    • [   4.2.2  示例（栈）](#   4.2.2  示例（栈）)
• [五、 扩展思考](#五、 扩展思考)
• • [  5.1 delete[] 为什么不需要写释放个数？](#  5.1 delete[] 为什么不需要写释放个数？)
  • [  5.2 构造个数与析构个数不匹配](#  5.2 构造个数与析构个数不匹配)
• 六、malloc/free和new/delete的区别
• 总结

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前言

本文在C语言基本内存管理知识的基础上，介绍了C++的动态内存管理的不同之处，旨在帮助读者复习C，进而过渡到C++

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一、C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题，回顾复习一下C语言的知识

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;

void Test()
{
	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);
}

//题目
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？

• 易错

char2[] = "abcd" //开辟一个数组，将字符串abcd赋值拷贝进去
const char* pchar3 = "abcd" //创建一个指针指向常量字符串"abcd"
*char2 //解引用数组名，拿到的是首元素地址，不是拿到常量字符串

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

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);
	// 2.这里需要free(p2)吗？不需要，理由如下
	free(p3);
}

malloc 动态开辟
calloc 动态开辟 ＋ 初始化为0
realloc 动态调整 //原空间内存充足则原地调整
			   //不足则异地调整，另外开辟一片空间将原数据拷贝过去且自动销毁原空间

三、C++内存管理方式

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（分别对应malloc，free），往后我们将很少使用到C的内存管理方法。

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
	// 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);
	// 动态申请3个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

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。（思考：如果不匹配会发生什么？后续在 5.2 处我们进行解答）

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0) 
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl; //标识调用了构造函数
	}
	
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl; //标识调用了析构函数
	}
	
private:
	int _a;
};

int main()
{
	// 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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);

	free(p1);
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); 
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

3.3 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（C++），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 就是对 malloc 的封装，相当于 malloc + 报错功能（抛异常）】
• 【operator delete 就是对 free 的封装】

下面我们来粗略看一下VS中的汇编代码

 /*
 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。
*/
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0) //调用malloc
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK);  
	__TRY
		pHead = pHdr(pUserData);
	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse); //调用_free_dbg ，实际就是free的底层
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}

/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

四、new和delete的实现原理

4.1 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

4.2 自定义类型

4.2.1  底层原理分析

• new的原理（operator new + 构造函数）

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（operator delete + 析构函数）

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（operator new []+ 构造函数）

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（operator delete[] + 析构函数）

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

4.2.2  示例（栈）

五、 扩展思考

5.1 delete[] 为什么不需要写释放个数？

new[] 开空间时会格外开辟一个对应类型大小的空间，用以存储开辟的个数（语法上delete[] 中不需要写个数，但实际上编译器要用，从多开的空间中拿）

5.2 构造个数与析构个数不匹配

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	//手动实现析构，会报错
	//未实现，可能会报错（取决于编译器是否优化）
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

// 记住，一定要匹配使用，不匹配结果是不确定的
int main()
{
	int* p1 = new int[10];
	delete p1;

	A* p2 = new A[10];
	delete p2;

	return 0;
}

结论：

• 手动实现析构函数时，会报错。原因如上一图。
• 未手动实现时，可能不会报错。
  【隐患】析构函数可能本来需要起释放资源的作用，但用户忘记手动写了，不会报错，但会造成内存泄漏 。
  【原因】编译器如果进行优化，就不会报错，原因如上二图；如果编译器不进行优化，会报错。

六、malloc/free和new/delete的区别

• 共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
• 不同的地方是：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理

总结

本文介绍了C++的动态内存管理的常用知识，旨在帮助读者复习C，快速过渡到C++