C/C++:内存管理

文章目录

  • 前言
  • 一、内存分区
    • [1. 内存划分情况](#1. 内存划分情况)
    • [2. 最大内存计算](#2. 最大内存计算)
  • [二、malloc/calloc/realloc 与 free](#二、malloc/calloc/realloc 与 free)
    • [1. malloc](#1. malloc)
    • [2. calloc](#2. calloc)
    • [3. realloc](#3. realloc)
    • [4. free](#4. free)
    • [5. 差异对比](#5. 差异对比)
    • [6. 失败处理](#6. 失败处理)
  • 三、内存分配题目
    • [1. 题目](#1. 题目)
    • [2. 内存区域划分](#2. 内存区域划分)
  • 四、C++内存管理方式
    • [1. new 与 delete](#1. new 与 delete)
    • [2. new/delete操作内置类型](#2. new/delete操作内置类型)
    • [3. new和delete操作自定义类型](#3. new和delete操作自定义类型)
  • [五、operator new与operator delete函数](#五、operator new与operator delete函数)
    • [1. 原理](#1. 原理)
    • [2. 异常捕获方法](#2. 异常捕获方法)
  • 六、new和delete的实现原理
    • [1. 内置类型](#1. 内置类型)
    • [2. 自定义类型](#2. 自定义类型)
  • [七 、定位new表达式(placement-new)](#七 、定位new表达式(placement-new))
  • 八、对比malloc/free和new/delete的区别
  • 总结

前言

今天我们来看C/C++中对于内存的管理


一、内存分区

1. 内存划分情况

在C/C++中,数据的存储位置取决于数据类型和作用域。通常分为以下几类:

  1. 栈(Stack)

    • 自动变量:局部变量、函数参数等会存储在栈上。当函数调用时,栈帧分配用于存储这些变量,函数结束后栈帧被销毁,变量随之消失。
    • 特点:栈内存分配快,自动管理,但空间有限(通常为几MB)。
  2. 堆(Heap)

    • 动态分配的内存 :使用malloccalloc(C语言)或new(C++)分配的内存位于堆上。程序员需手动管理堆内存,使用free(C语言)或delete(C++)释放。
      • 特点:堆空间大,但分配速度较慢,且需要手动释放,易出现内存泄漏。
  3. 全局/静态区(Global/Static)

  • 全局变量:定义在函数外部的变量,作用域为整个程序,存储在全局/静态区。
  • 静态变量 :使用static修饰的变量,即使定义在函数内,生命周期也是整个程序运行期间,存储在全局/静态区。
  • 特点:内存一直保留,直到程序结束。
  1. 常量区(Text Segment/ROData)

    • 字符串字面值 :如"Hello, World!"这样的字符串存储在常量区,只读不可修改。
    • const修饰的变量:也可以存储在常量区,具体取决于编译器实现。
  2. 代码区(Code Segment)

  • 函数代码:编译后的程序代码(如函数体)存储在代码区,程序执行时从这里读取指令。

2. 最大内存计算

在32位(x86)和64位(x64)架构中,CPU的寻址能力决定了能够访问的最大内存空间。

  1. 32位(x86)架构

    • 寻址能力:在32位系统中,CPU使用32位地址(即4字节)来表示内存地址。
    • 最大寻址空间 :32位地址可以表示的最大数值为 ( 2^{32} ) ,即 4,294,967,296 个地址(字节),也就是4GB内存空间。
    • 具体解释:CPU可以通过一个32位地址生成从0到(2^{32}-1)的地址,这意味着它能够访问最多4GB的内存。
  2. 64位(x64)架构

    • 寻址能力:在64位系统中,CPU使用64位地址(即8字节)来表示内存地址。
    • 理论最大寻址空间 :64位地址理论上可以表示的最大数值为 ( 2^{64} ),即 18,446,744,073,709,551,616 个地址(字节),也就是 16 exabytes(EB) 的内存空间。
    • 实际情况:目前的操作系统和硬件并不会使用所有的64位地址位。现代操作系统和硬件会限制实际的可用内存寻址范围。例如,Windows 64位系统支持的最大内存一般为几TB到几十TB,具体取决于版本和硬件的限制。



二、malloc/calloc/realloc 与 free

在C语言中,malloccallocreallocfree 是动态内存管理的四个重要函数。它们在程序运行时负责分配、重新分配和释放内存。下面详细讲解它们的工作机制,并总结它们的区别。

1. malloc

  1. malloc (Memory Allocation)
    • 功能:分配指定大小的内存块。

    • 语法

      c 复制代码
      void* malloc(size_t size);

      其中,size 是要分配的内存大小(以字节为单位),返回值是指向已分配内存块的指针。如果分配失败,malloc 返回 NULL

    • 特点

      • malloc 分配的内存块中的数据不初始化,内容可能是随机的(内存中的残留数据)。
      • 适用于一次性分配特定大小的内存。
    • 示例

      c 复制代码
      int* ptr = (int*) malloc(10 * sizeof(int)); // 分配存储10个整数的内存

2. calloc

  1. calloc (Contiguous Allocation)
    • 功能:分配内存并初始化为零。

    • 语法

      c 复制代码
      void* calloc(size_t num, size_t size);

      其中,num 是要分配的元素个数,size 是每个元素的大小(以字节为单位)。返回指向内存块的指针,如果失败,返回 NULL

    • 特点

      • calloc 分配的内存会自动初始化为全零
      • 适用于需要多个连续内存块的情况,且希望这些内存块初始化为零。
    • 示例

      c 复制代码
      int* ptr = (int*) calloc(10, sizeof(int)); // 分配并初始化存储10个整数的内存

calloc 就相当于 malloc + memset


3. realloc

  1. realloc (Reallocation)
    • 功能:重新分配已分配内存的大小。

    • 语法

      c 复制代码
      void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

      其中,ptr 是指向之前分配的内存块的指针,new_size 是新内存块的大小(以字节为单位)。realloc 返回指向新内存块的指针。

    • 特点

      • 用于扩展或缩小已经分配的内存块。
      • 如果需要扩展且原有内存块之后的空间不够,realloc在新位置分配内存 ,并复制旧数据,然后释放原有内存块;如果足够,则会在原位置上扩展。
      • 如果缩小内存块,多余的内存将被释放,但原始数据仍保留。
    • 示例

      c 复制代码
      int* ptr = (int*) realloc(ptr, 20 * sizeof(int)); // 将原来10个整数的内存扩展到20个

realloc扩容空间的做法:


4. free

  1. free (Memory Deallocation)
    • 功能 :释放之前用 malloccallocrealloc 分配的内存。

    • 语法

      c 复制代码
      void free(void* ptr);

      其中,ptr 是指向需要释放的内存块的指针。

    • 特点

      • 必须 为动态分配的内存显式调用 free,否则会导致内存泄漏(内存不会被释放,导致系统内存资源逐渐减少)。
      • 释放后,指针指向的内存不再有效,访问它会导致未定义行为(例如:访问已释放的内存可能引发段错误)。
    • 示例

      c 复制代码
      free(ptr); // 释放之前分配的内存

5. 差异对比

总结:malloccallocreallocfree 的区别

函数名 主要功能 内存初始化 参数 用途
malloc 分配指定大小的内存块 无(内容未初始化) size:分配的字节数 动态分配内存
calloc 分配并初始化内存 全部初始化为0 num:元素个数 size:每个元素的大小 分配多个内存块并初始化为零
realloc 重新分配已分配的内存 原数据保留 ptr:原内存指针 new_size:新大小 扩展或缩小现有内存
free 释放已分配的内存 无(释放操作) ptr:待释放的内存指针 释放不再需要的内存

区别和应用场景:

  1. 内存初始化malloc 分配的内存不初始化,calloc 分配的内存会被初始化为 0。
  2. 用法不同
    • 使用 malloc 适合一次性分配已知大小的内存。
    • 使用 calloc 适合分配多个元素的内存块,并且需要初始化为零。
    • 使用 realloc 适合在内存不足或需要调整内存时动态调整内存大小。
  3. 释放内存 :所有通过 malloccallocrealloc 分配的内存,最后都必须通过 free 释放,否则会造成内存泄漏。

6. 失败处理

对于如果开空间失败了怎么办

cpp 复制代码
//realloc, calloc同理
int* ptr = (int*) malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    // 内存分配失败的处理逻辑
    perror("malloc fail!");
    exit(-1);
}

三、内存分配题目

1. 题目

我们先来看下面的一段代码和相关问题:

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";

	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?C staticGlobalVar在哪里?C

staticVar在哪里?C localVar在哪里?A

num1 在哪里?A

分析:

globalVar全局变量在数据段 staticGlobalVar静态全局变量在静态区

staticVar静态局部变量在静态区 localVar局部变量在栈区

num1局部变量在栈区

char2在哪里?A *char2在哪里?A

pChar3在哪里?A *pChar3在哪里?D

ptr1在哪里?A *ptr1在哪里?B

分析:

char2局部变量在栈区

char2是一个数组,把后面常量串拷贝过来到数组中,数组在栈上,所以*char2在栈上

pChar3局部变量在栈区 *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

ptr1局部变量在栈区 *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

  1. 填空题:

sizeof(num1) = 40;//数组大小,10个整形数据一共40字节

sizeof(char2) = 5;//包括\0的空间

strlen(char2) = 4;//不包括\0的长度

sizeof(pChar3) = 4;//pChar3为指针

strlen(pChar3) = 4;//字符串"abcd"的长度,不包括\0的长度

sizeof(ptr1) = 4;//ptr1是指针


2. 内存区域划分


    • 又称堆栈,用于存储非静态局部变量、函数参数、返回值等,栈是向下增长的。
  1. 内存映射段

    • 高效的I/O映射方式,用于加载共享的动态内存库。通过系统接口创建共享内存,进行进程间通信。(如果还没学到这部分内容,现在只需了解即可。)
    • 用于程序运行时的动态内存分配,堆是向上增长的。
  2. 数据段

    • 存储全局变量和静态变量。
  3. 代码段

    • 包含可执行代码和只读常量。

四、C++内存管理方式

1. new 与 delete

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(主要是在对类),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。


2. new/delete操作内置类型

这段代码展示了在C++中如何使用newdelete进行动态内存分配和释放。下面逐行讲解代码的含义:

cpp 复制代码
int main()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr4 = new int;
  • 动态申请单个int类型的内存
    • 使用new int分配一个int类型的内存空间,并返回其地址,赋值给指针ptr4
    • 此时,内存中的值未初始化,可能是一个随机值。
cpp 复制代码
    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr5 = new int(10);
  • 动态申请单个int类型的内存并初始化
    • 使用new int(10)分配内存并将其初始化为10。指针ptr5指向这个内存位置。
cpp 复制代码
    // 动态申请10个int类型的空间
    int* ptr6 = new int[3];
  • 动态申请数组
    • 使用new int[3]分配一个能够存储3个int的数组。内存中的值未初始化,因此每个元素的值都是随机的。
cpp 复制代码
    int* ptr7 = new int[3]{ 1,2,3 };
  • 动态申请数组并初始化
    • 使用new int[3]{ 1,2,3 }分配一个能够存储3个int的数组,并将第一个元素初始化为1,第二个元素初始化为2,第三个元素初始化为3。未指定的元素会被初始化为0。
cpp 复制代码
    int* ptr8 = new int[5]{ 1,2,3 };
  • 动态申请更大数组并部分初始化
    • 使用new int[5]{ 1,2,3 }分配一个能够存储5个int的数组,前3个元素分别被初始化为1、2、3,后2个元素自动初始化为0。
cpp 复制代码
    delete ptr4;
    delete ptr5;
  • 释放单个变量的内存
    • 使用delete释放由new分配的单个int类型的内存。ptr4ptr5所指向的内存空间被释放。
cpp 复制代码
    delete[] ptr6;
    delete[] ptr7;
    delete[] ptr8;
  • 释放数组的内存
    • 使用delete[]释放动态分配的数组内存。ptr6ptr7ptr8分别指向的数组内存被正确释放。
    • 注意:内存泄漏
      使用 delete 释放一个数组分配的内存可能会导致内存泄漏(如:释放这个数组不加[]),delete ptr6;。delete 只会释放第一个元素的内存,后续元素的内存没有被正确释放,这会使得程序中的内存使用逐渐增加。

3. new和delete操作自定义类型

现在我们有一个A类:

cpp 复制代码
class A
{
public:
	A(int a = 1)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
cpp 复制代码
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)); // 使用malloc申请内存
    A* p2 = new A(1); // 使用new申请内存,并调用构造函数
  • 内存分配
    • malloc:分配内存给一个 A 类型的对象(p1),但不会调用构造函数。
    • new A(1):分配内存并调用构造函数,初始化 _a 为 1,并将指针赋值给 p2
cpp 复制代码
    free(p1); // 使用free释放内存
    delete p2; // 使用delete释放内存
  • 内存释放
    • free(p1):释放通过 malloc 分配的内存,不会调用析构函数。
    • delete p2:释放通过 new 分配的内存,同时会调用析构函数,打印析构信息。
cpp 复制代码
    // 内置类型是几乎是一样的
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p4 = new int; // C++
    free(p3); // 释放p3
    delete p4; // 释放p4
  • 内置类型的内存管理
    • mallocfree 的使用与 newdelete 处理内置类型(如 int)几乎一样。
    • malloc 不会初始化内存,而 new 会为内置类型分配内存。
cpp 复制代码
    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10); // 使用malloc申请10个A对象的内存
    A* p6 = new A[10]; // 使用new申请10个A对象的内存
  • 数组的内存分配
    • malloc:分配内存给10个 A 类型的对象,但不会调用构造函数。
    • new A[10]:分配内存并调用构造函数,为每个对象初始化。
cpp 复制代码
    free(p5); // 释放通过malloc分配的内存
    delete[] p6; // 释放通过new[]分配的内存,调用每个对象的析构函数
  • 数组内存释放
    • free(p5):释放10个 A 类型对象的内存。
    • delete[] p6:释放通过 new[] 分配的内存,确保调用每个对象的析构函数。

总结

  • newdelete vs mallocfree
    • newdelete 用于分配和释放自定义类型的内存时,会自动调用构造函数和析构函数,而 mallocfree 只进行内存分配和释放,不调用构造和析构函数。

五、operator new与operator delete函数

1. 原理

newdelete是用户进行动态内存申请和释放的操作符,operator new 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operator delete全局函数来释放空间。

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);
}
cpp 复制代码
/*
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)

通过上述两个全局函数的实现知道,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。


2. 异常捕获方法

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

class A {
public:
    A(int a = 0) : _a(a) {
        cout << "A constructed: " << _a << endl;
    }
    
    ~A() {
        cout << "A destructed." << endl;
    }

private:
    int _a;
};

void Func() {
    int* p1 = new int[1024 * 1024 * 100]; // 试图分配内存
    cout << p1 << endl;

    int* p2 = new int[1024 * 1024 * 100]; // 试图分配内存
    cout << p2 << endl;

    int* p3 = new int[1024 * 1024 * 100]; // 试图分配内存
    cout << p3 << endl;

    int* p4 = new int[1024 * 1024 * 100]; // 试图分配内存
    cout << p4 << endl;

    int* p5 = new int[1024 * 1024 * 100]; // 试图分配内存
    cout << p5 << endl;
}

int main() {
    try {
        Func(); // 调用函数以分配内存
    } catch (const exception& e) {
        cout << "Memory allocation failed: " << e.what() << endl; // 捕获异常并打印信息
    }

    return 0;
}

六、new和delete的实现原理

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。


2. 自定义类型

newdelete 原理

操作 原理说明
new
1. 调用 operator new 通过调用 operator new 函数申请足够的内存空间。
2. 执行构造函数 在申请的内存空间上执行构造函数,完成对象的构造并返回指向对象的指针。
delete
1. 执行析构函数 在对象的内存空间上执行析构函数,清理对象中占用的资源。
2. 调用 operator delete 通过调用 operator delete 函数释放对象所占用的内存空间。
new T[N]
1. 调用 operator new[] 调用 operator new[] 函数,通过实际调用 operator new 函数申请 N 个对象所需的内存空间。
2. 执行 N 次构造函数 在申请的内存空间上执行 N 次构造函数,构造 N 个对象。
delete[]
1. 执行 N 次析构函数 在释放的对象空间上执行 N 次析构函数,清理 N 个对象中占用的资源。
2. 调用 operator delete[] 调用 operator delete[] 函数释放内存空间,实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放内存。

七 、定位new表达式(placement-new)

使用这个的理由是,我们对一个已经存在的对象,不能在外面显示调用它的构造函数,但是析构函数可以。

为了解决这个问题,引入定位new表达式。

定位new表达式是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_address必须是一个指针,initializer-list是类型的初始化列表

使用场景:

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。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。

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;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间,还不能算是一个对象,因为构造函数没
	//有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A; // 注意:如果A类的构造函数有参数时,此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

八、对比malloc/free和new/delete的区别

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

总结

到这里,内存管理的东西就结束了,谢谢大家~

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