C&C++内存魔术:掌控无形资源

一叶之秋14122024-08-07 15:14

hello,uu们,今天呢我们来详细讲解C&C++的内存管理,好啦,废话不多讲,开干

1:C/C++内存分布

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

3:C++内存管理方式

3.1:new/delete操作内置类型

3.1.1:代码1

3.1.2:代码2

3.2:new和delete操作自定义类型

3.2.1:C语言创建链表节点

3.2.2:C++创建链表节点

3.2.3:使用new与delete创建不带头的单调表

[4:operator new 与 operator delete函数](#4:operator new 与 operator delete函数)

5:new和delete的实现原理

5.1:内置类型

5.2:自定义类型

5.2.1:new的原理

[5.2.2:new T[N]的原理](#5.2.2:new T[N]的原理)

5.2.3:delete的原理

5.2.4:delete[]的原理

6:定位new表达式

6.1:代码1

6.2:代码2

7:new/delete与malloc/free区别

7.1:用法上

7.2:底层上

1:C/C++内存分布

在C语言的动态内存管理那一章节,我们简单地讲解了C/C++的内存分布,那么在讲解C/C++的内存分布之前,我们来看下面的一段代码与相关问题.

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);
}

1: globalVar与staticGlobalVar分别存储在内存中的哪块区域:globalVar是全局变 量 ,staticGlobval是静态全局变量,在之前C语言阶段,我们有学习到, 全局变量与静态变量都是存储在内存中的静态区(数据段) ,因此 globalVar与staticGlobalVar均存储在静态区 .
2: staticVar与 localVar分别存储在哪里:staticVar是static关键字修饰的局部变量,当局部变量被static关键字修饰后,此时 该变量存储在内存中的静态区(数据段).
3:num1存储 在哪里?:num1为数组名,数组名代表的是首元素的地址,代表的是数组,并且num1是在main函数中定义的,那么因此 num1存储在栈区上.
4:char2与 * char2分别存储在哪里?:char2为数组名并且是在main函数中定义的,那么因此 char2存储在栈区 中.我们再来看*char2,有的uu看到了"abcd"是个常量,然后数组名表示的是首元素的地址,那么*char2为字符'a',因此*char2存储在常量区(代码段),其实这是错误的逻辑, *char2其实也是同样存储在内存中的栈区的 ,这是为什么呢? 这是因为在底层内部,它会先将常量区的"abcd"拷贝一份到栈区,然后char2再指向该字符串.
5:pChar3 在哪里与 * pChar3分别存储 在哪里?:pChar3为指针变量并且定义在函数内部,因此 pChar3存储在栈区 ,再来看*pChar3,由于在 * 左边有const关键字,在指针阶段,博主有讲到过
当const放在*左边时,此时能够改变指针变量本身的内容,但是不能通过指针变量去改变其所指向的内容.因为此时指针指向的内容存储在内存中的常量区 ,因此*pChar3存储在内存中的常量区(代码段).
6:ptr1与 * ptr1分别 在哪里?:ptr1为指针变量并且是在main函数中定义的,因此 ptr1存储在内存中的栈区 ,由于ptr1所指向的区域是通过malloc开辟出来的,那么里面 所存储的数据则在堆区中 ,因此 *ptr1存储在堆区中 .

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
//静态区
int globalvar = 1;
//静态区
static int staticGlobval = 1;
int main()
{
	//静态区
	static int staticvar = 1;
	//栈区
	int localvar = 1;
	//num1存储在栈区
	int num1[10] = { 1,2,3,4 };

	//char2存储在栈区,*char2存储在栈区(abcd的内容是从常量区拷贝过来的)
	char char2[] = "abcd";
	//pChar3存储在栈区,*pChar3存储在常量区
	const char* pChar3 = "abcd";
	//ptr1在栈区,*ptr1在堆区
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	//ptr2在栈区,*ptr2在堆区
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	//ptr1在栈区,*ptr3在堆区
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2,sizeof(int));
	free(ptr1);
	free(ptr3);
	return 0;
}


详细说明

  1. 栈又叫堆栈 ---存储着非静态局部变量/函数参数/返回值等等,栈总是向下增长的.
  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内存,做进程间的通信.
  3. 堆 用于程序运行的时候进行动态内存分配,堆总是向上增长的.
  4. 数据段(静态区)----->存储全局数据与静态数据.
  5. 代码段(常量区)----->存储可执行的代码/只读常量.

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

在讲C++的动态内存管理方式之前,我们来复习下C语言的动态内存管理方式,

C语言中经常使用malloc/calloc/realloc这三个函数来开辟动态,那么这三者的区别是什么呢

  • malloc:向内存空间申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针.
  • calloc:向内存空间申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针,同时会将开辟的空间的数据初始化为0.
  • realloc:用于调整动态内存开辟的空间的大小,并且分为原地扩容与异地扩容.

原地扩容:是直接在原有的空间基础上进行扩容.

异地扩容:先开辟一段新空间,然后讲原空间的数据拷贝一份到新空间,接着再释放旧空间,再将指针指向新空间的首地址处.

3:C++内存管理方式

C语言中的内存管理方式在C++中可以继续使用,但有些地方就比较无能为力,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.

3.1:new/delete操作内置类型

3.1.1:代码1

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* ptr0 = (int*)malloc(sizeof(int));
	//申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	//申请一个int类型的空间并且初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);

	delete ptr0;
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	return 0;
}

通过观察上面的代码,我们可以清晰地看到,new和delete在用法上相较于C语言开辟动态管理的方式变得更加简洁了.

3.1.2:代码2

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	//动态申请5个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[5];
	
	//动态申请10个int类型的空间并进行部分初始化,未初始化的部分默认为0
	int* ptr4 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5, 6};

	//当申请的空间是连续的空间时,那么在释放时需要带上[]
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
	return 0;
}

PS: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[]与delete[].

3.2:new和delete操作自定义类型

在C语言阶段,当实现链表这种数据结构的时候,我们需要开辟空间,创建新节点,然后将其链接.

3.2.1:C语言创建链表节点

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{
	int _value;
	//指针域
	struct ListNode* next;
};

struct ListNode *  CreateNode(int value)
{
	//开辟空间
	struct ListNode* tmp = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	if(tmp == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	struct ListNode* newnode = tmp;
	newnode->next = nullptr;
	newnode->_value = value;
	return newnode;
}

上述代码呢,则是使用C语言创建链表的节点,我们再来看看C++创建链表的节点的方式.

3.2.2:C++创建链表节点

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{

	//构造函数在初始化的时候会默认走初始化列表
	ListNode(int value)
		:_value(value)
		,_next(nullptr)
	{
		cout << "成功创建节点" << endl;
	}

	~ListNode()
	{
		cout << "成功释放节点" << endl;
	}
public:
	int _value;
	//指针域
	ListNode* _next;
};

int main()
{
	ListNode* node1 = new ListNode(1);
	ListNode* node2 = new ListNode(2);
	
	delete node1;
	delete node2;
	return 0;
}

上述代码呢则是通过C++创建链表的节点,并且我们能够清晰地看到,new和delete在操作自定义类型的时候,会自动调用自定义类型的构造函数与析构函数而C语言中的malloc和free不会这么做！

3.2.3:使用new与delete创建不带头的单调表

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{

	//构造函数在初始化的时候会默认走初始化列表
	ListNode(int value)
		:_value(value)
		,_next(nullptr)
	{
		cout << "成功创建节点" << endl;
	}

	~ListNode()
	{
		cout << "成功释放节点" << endl;
	}
public:
	int _value;
	//指针域
	ListNode* _next;
};
//创建不带哨兵位的单链表
ListNode * CreateListNode(int length)
{
	ListNode head(-1);

	ListNode* tail = &head;
	int value = 0;
	for(int i = 0; i < length; i++)
	{
		cin >> value;
		//创建节点并且进行链接
		tail->_next = new ListNode(value);
		//tail指向新节点
		tail = tail->_next;
	}
	//由于是创建的是不带哨兵位的头节点,因此返回head._next
	return head._next;
}

void Print(ListNode * head)
{
	while (head)
	{
		cout << head->_value << "->";
		head = head->_next;
	}
}

int main()
{
	ListNode* head = CreateListNode(6);
	Print(head);
	return 0;
}

4:operator new 与 operator delete函数

  • new和delete是用于进行动态内存申请与释放的操作符.
  • operator new与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在底层通过调用operator delete全局函数来释放空间.
  • operator new是对malloc的封装 ,operator new通过 malloc来申请空间----->失败了则会抛异常,实现new.
  • operator delete是对free的封装.
cpp 复制代码 
/*
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)
{
// try to allocate size bytes
void *p;
while ((p = malloc(size)) == 0)
{
     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);  /* block other threads */
     __TRY
         /* get a pointer to memory block header */
         pHead = pHdr(pUserData);
          /* verify block type */
         _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
         _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );
     __FINALLY
         _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
     __END_TRY_FINALLY
     return;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述的两个全局函数的实现可以知道,operator new实际也是通过malloc来申请空间 ,如果malloc申请空间成功就直接返回,否则执行用户提供的空间不足应对措施,如果用户提供该措施就继续申请,否则就抛异常,operator delete最终是通过free来释放空间的.

5:new和delete的实现原理

5.1:内置类型

对于内置类型,new和malloc,delete和free基本类似,不同的是:new和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则会返回NULL.

5.2:自定义类型

5.2.1:new的原理

1.调用operator new函数申请空间.

2.在申请空间的基础上执行构造函数,完成对象的构造.

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << this << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
};
int main()
{
	1次构造 + 一次operatornew
	Date* ptr1 = new Date;
	return 0;
}

5.2.2:new T[N]的原理

1.调用operator new[]函数,在operator new[]函数中实际调用operator new函数完成对对象空间的申请.

2.在申请空间的基础上执行N次构造函数.

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << this << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
};
int main()
{
	//10次构造 + 一次operatornew;会多开辟一个空间存储对象的个数.
	Date* ptr2 = new Date[10];
	return 0;
}

5.2.3: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.

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << this << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
};
int main()
{
	1次构造 + 一次operatornew
	Date* ptr1 = new Date;

	//一次析构 + 一次operator delete
	delete ptr1;

	return 0;
}
cpp 复制代码 
class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		_a = (int*)malloc(sizeof(Stack));
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}

	~Stack()
	{
		free(_a);
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};


int main()
{
	Stack* st1 = new Stack();

	delete st1;
}

5.2.4:delete[]的原理

1.在释放的对象空间上执行N次构造函数,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[]中是调用operator delete来释放空间

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << this << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
};
int main()
{
	//10次构造 + 一次operatornew;会多开辟一个空间存储对象的个数.
	Date* ptr2 = new Date[10];

	//10次析构 + 一次operator delete,
	delete[] ptr2;
	return 0;
}

6:定位new表达式

定位new表达式是指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_

addree必须是一个指针,initializer-list是类型的初始化列表

6.1:代码1

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		//初始化列表
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//p1现在指向的是跟A对象大小相等的一段空间,还不能算作是一个对象,因为构造函数没有调用
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//定位new/replacement new
	new(p1)A;
	//显式调用析构函数
	p1->~A();
	free(p1);
}

6.2:代码2

cpp 复制代码 
#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		//初始化列表
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	//显式调用构造函数----->定位new,对一块已经有的空间进行初始化.
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

7:new/delete与malloc/free区别

malloc/free和new/delete的共同点事:都是从堆上申请空间,并且需要用户手动释放,并且需要用户手动释放,但不同的地方是

7.1:用法上

  • 1.malloc和free是函数,new和delete是操作符.

  • 2.malloc申请的空间不会进行初始化,new可以进行初始化.

  • 3.malloc申请空间时,需要手动计算空间大小并进行传递,new只需要在其后面跟上空间的类型即可,若是多个对象,则在[]中指定对象个数即可.

  • 4.malloc的返回值为void *,在使用时必须进行强制类型转换,而new不需要,因此new后面跟的是空间的类型.

  • 5.malloc申请空间失败时会返回NULL,因此使用时必须判空,而new不需要,但是new需要捕获异常.

7.2:底层上

申请自定义类型对象 时,malloc和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对应的构造函数与析构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.

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