C++之内存管理

喉咙痛的恐龙2024-11-18 12:09

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目录

前言

一、C/C++内存分配

[二、 malloc、calloc、realloc、free](#二、 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detele操作自定义类型](#3.2 new和detele操作自定义类型)

[四、operator new与operator delete函数](#四、operator new与operator delete函数)

[4.1 operator new与operator delete函数（重点）](#4.1 operator new与operator delete函数（重点）)

五、new和delete的实现原理

[5.1 内置类型](#5.1 内置类型)

[5.2 自定义类型](#5.2 自定义类型)

[六、定位new表达式(placement-new) （了解）](#六、定位new表达式(placement-new) （了解）)

[七、malloc/free 和 new/delete的区别](#七、malloc/free 和 new/delete的区别)

前言

hello ，大家又来跟着bear学习了。一起奔向更好的自己

一、C/C++内存分配

这里通过一道题来复习一下内存分配

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？____

globalvar我们发现他定义成全局变量，全局变量和静态变量一般都放在静态区。所以是选择C。

staticGlobalvar是静态的全局变量所以还是静态区，选C。

staticVar是test函数的静态变量所以还是放在静态区，选C。

localVar定义在test函数的int类型变量，局部变量一般放在栈里面。故选择A。

num1是一个int类型的数组还是局部变量储存在栈里面，选择A。

char2是一个char类型的数组，同理储存在栈里面，选择A。

*char2是对char进行解引用操作，类似于对指针解引用也就是得到char2数组里面的值，因为数组里面的值储存在栈里面。所以*char2还是在栈里面，选择A。

pChar3是const char类型的指针是一个局部变量储存在栈里面，故选择A。

*pChar3是对他进行解引用操作，但是pChar3是指向"abcd"这个地方，我们解引用也就是问"abcd"储存在哪里？（abcd是常量字符串）因为是**常量所以储存在常量区也就是代码段里面。**故选择D。

ptr1是一个int类型的指针，指针也是局部变量储存在栈里面。所以选择A。

*ptr1对也就是ptr1里面的数据储存在哪里？因为是动态开辟了一块空间。所以数据也储存在这块动态开辟的空间里面。动态开辟所以储存在堆里面。选择B。

  1. 栈 又叫堆栈 -- 非静态局部变量 / 函数参数 / 返回值等等，栈是向下增长的。
  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
    创建共享共享内存，做进程间通信。（ Linux 课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
  3. 堆 用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  4. 数据段 -- 存储全局数据和静态数据。
  5. 代码段 -- 可执行的代码 / 只读常量。
    我自己还有一些理解：
    函数调用就是建立了"栈"，动态申请就是在"堆"。
    栈：存储局部变量、函数参数和返回地址。
    堆：动态分配的内存，由 new 和 delete 操作，还有像什么malloc和free操作的。
    静态区：存储全局变量、静态变量。
    代码段：用来储存常量区的。

二、 malloc、calloc、realloc、free

  1. malloc：
    功能：分配指定大小的内存块。
    使用： void* malloc(size_t size);

说明： malloc 分配的内存块中的值是未初始化的，即它们可能包含任意数据。因此，在使用 malloc 分配的内存之前，通常需要使用 memset 或其他方式来初始化内存。

  1. calloc：
    功能：分配指定数量的元素，每个元素大小为指定大小的内存块，并初始化为零。
    使用： void* calloc(size_t num, size_t size);

说明： calloc 会分配 num * size 字节的内存，**并将所有位初始化为零。**这在需要分配数组时特别有用，因为它确保了所有的元素都被初始化为零。

  1. realloc：
    功能：重新分配指定内存块的大小。
    使用： void* realloc(void* ptr, size_t new_size);

说明： realloc 用于调整之前使用 malloc 或 calloc 分配的内存块的大小。如果 ptr 是 NULL ，则 realloc 的行为类似于 malloc 。如果内存块被成功扩展或缩小， ptr 指向的内存块将被更新以反映新的大小。如果 new_size 小于或等于原始大小， realloc 可能不会改变内存块的大小，但仍然会返回指向原始内存块的指针（也就是失败了不改变原来那片空间，只有成功了才会改便之前的空间）。

注意事项：

这些函数返回的指针类型为 void* ，这意味着它们返回一个通用指针，可以被转换为任何类型的指针。

如果内存分配失败， malloc 和 calloc 会返回 NULL ，而 realloc 会返回 NULL 并且不会改变原始的内存块。

使用这些函数分配的内存需要在使用完毕后通过 free 函数释放，以避免内存泄漏。

这些函数是 C 语言中动态内存管理的基础，正确使用它们对于编写高效且稳定的程序至关重要。
malloc的实现原理？glibc中malloc实现原理有兴趣的可以点开看

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。（很像C语言的malloc和free）

3.1 new/delete 操作内置类型

cpp 复制代码 
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10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}

注意：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。
虽然也可以使用free来释放空间。但是并不建议使用。

3.2 new和detele操作自定义类型

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()
{
// 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)); // C
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。

四、operator new与operator delete****函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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 ，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);
}
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)

不用看懂！

五、new和delete****的实现原理

5.1 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。

5.2 自定义类型

new的原理

  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
  3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  4. 调用operator delete函数释放对象的空间
    new T[N]的原理
  5. 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
  6. 在申请的空间上执行N次构造函数
    delete[]的原理
  7. 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
  8. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释
    放空间

六、定位new表达式**(placement-new)****（了解）**

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;
}

七、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

感谢大家的支持，我会继续努力创造出更好的博客。

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