C++ 第三讲：内存管理

不是编程家2024-09-19 18:17

C++ 第三讲：内存管理

1.C++内存分布

我们先对内存分配做一个复习：

我们看一道题目：

cpp 复制代码 
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);
}

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？____

解答：

cpp 复制代码 
int globalVar = 1;//全局变量，应该存放在静态区
static int staticGlobalVar = 1;//静态变量，放在静态区
void Test()
{
	static int staticVar = 1;//静态数据，静态区
	int localVar = 1;//变量，创建在栈帧中
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//num1为数组名，代表整个数组，都放在栈帧上
	char char2[] = "abcd";//char2还是一个数组，在栈上  ||  *char2表示第一个元素，该元素在栈上，原理为：常量区有abcd\0字符串，将常量区这一字符串拷贝给栈上的char2数组中，所以在栈上
	const char* pChar3 = "abcd";//pChar3在栈上  ||  但是这里的*pChar直接就指向了常量区了
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1仍然是一个变量，在栈上  ||  *ptr1在堆上，是动态开辟的内存
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

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？____//全局变量，应该存放在静态区
staticGlobalVar在哪里？____//静态变量，放在静态区
staticVar在哪里？____//静态数据，静态区
localVar在哪里？____//变量，创建在栈帧中
num1 在哪里？____//num1为数组名，代表整个数组，都放在栈帧上
char2在哪里？____//char2还是一个数组，在栈上
* char2在哪里？___ //*char2表示第一个元素，该元素在栈上，原理为：常量区有abcd元素，将常量区的abcd拷贝到栈上，所以在栈上
pChar3在哪里？____//pChar3在栈上
* pChar3在哪里？____//但是这里的*pChar直接就指向了常量区了
ptr1在哪里？____//ptr1仍然是一个变量，在栈上
* ptr1在哪里？____//*ptr1在堆上，是动态开辟的内存

2.内存管理方式

2.1C语言内存管理方式

C语言中，使用内存管理的方式为：malloc、realloc、calloc、free

c 复制代码 
void Test ()
{
	// 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 );
}
  1. malloc/calloc/realloc的区别？
  2. malloc的实现原理？

链接: malloc的实现原理

2.2C++内存管理方式

C语言的内存管理方式在C++中仍然可以使用，但是在一些情况下会十分麻烦，所以C++就提供了自己的内存管理方式：new和delete

2.2.1new\delete操作内置类型

cpp 复制代码 
//new\delete操作内置类型
int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];

	//动态申请10个int类型的空间并初始化
	int* ptr4 = new int[10] {1, 2, 3};//1,2,3,0,0,0,0,0,0,0

	// 使用delete销毁申请的空间
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
	return 0;
}

2.2.2new\delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
//new\delete操作自定义类型
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//对于自定义类型，如果使用malloc的话，会显得十分麻烦
	//而且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;
	
	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p4 = new A[10];
	free(p3);
	delete[] p4;

	//此时如果想要对开辟的类数组初始化：
	A aa1(1);
	A aa2(2);
	A* p6 = new A[10]{ aa1, aa2 };//数组前两个元素使用aa1和aa2初始化，其它元素调用构造函数进行初始化
	delete[] p6;
	return 0;
}

还是要提醒一下：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和free不会

3.operator new与operator delete函数

这两个函数是系统提供的全局函数，它们底层其实还是调用的malloc和free函数来使用的，new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，new在底层调用operator new函数来申请空间，delete在底层调用operator delete全局函数来释放空间

它们两个函数的实现代码如下：

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，其实是一个宏函数
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

因为是全局函数，所以这两个函数可以直接调用，与malloc不同的是，仍然会调用构造函数和析构函数：

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()
{
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));

	operator delete(p1);
	return 0;
}

但是构造函数是不支持这样调用的，析构函数可以这样调用：

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()
{
	A aa1;

	//直接调用构造函数
	aa1.A();//err

	//直接调用析构函数是可行的
	aa1.~A();

	return 0;
}

4.new和delete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delete跟malloc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【】申请和释放的是连续空间，而且在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL

4.2自定义类型

cpp 复制代码 
new的原理：
1.调用operator new函数申请空间
2.在申请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[]函数中实际调用operator new函数完成对N个对象空间的申请
2.在申请的空间上完成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[]函数释放空间，实际上operator delete[]函数中还是调用operator delete函数来释放空间

5.定位new

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

5.1内存池的基本了解

5.2定位new的使用方法

定位new的使用格式：

cpp 复制代码 
new(place_address)type 或者 new(place_address)type(initializer - list)
注意：place_address必须是一个指针，initializer - list是类型的初始化列表

使用代码：

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()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//申请一块空间
	//定位new的意思为：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。
	new(p1)A;//通过定位new调用构造函数
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));//申请一块空间
	new(p2)A(1);//有参构造函数
	p2->~A();
	free(p2);

	return 0;
}

定位new表达式一般配合内存池使用，因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

5.3new和delete使用注意事项

new和delete、malloc和free、operator new和operator delete，三者之间不要互相混用，可能会出现报错！

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

private:
	int _a;
	int* _pa = new int;
};

int main()
{
	//假设我们使用malloc申请了一块空间
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));

	delete p1;
	return 0;
}

如果像上面写的代码一样，就会出现报错！，原因为：

所以说，不要串联着使用这些关键字，很可能会出错！

正确使用：

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

private:
	int _a;
	int* _pa = new int;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

6.malloc\free和new\delete的区别

cpp 复制代码 
malloc / free和new / delete的共同点是：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
  空间中资源的清理释放
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