C/C++内存管理

IU宝2024-11-23 11:47

1. C/C++内存分析

先通过下面一段代码，来讲解相关问题：

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";
	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);
}

判断以下变量的位置：

选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

globalVar____ staticGlobalVar____ staticVar____ localVar____ num1 ____

char2____ *char2___ pChar3____ *pChar3____ ptr1____ *ptr1____

  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。

  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。

可以看到全局变量，和static静态修饰的变量存放在静态区，所以globalVar， staticGlobalVar，staticVar都是在静态区，函数内部的局部变量，在函数栈帧上开辟，所以localVar，num1，char2，pChar3，ptr1都是在栈上，*char2即char首元素也是在栈上，注意*pChar3用const修饰，所以pChar解引用后表示的首元素，是在常量区上的，而ptr1指向的是动态开辟的空间，解引用后当然是在堆上。

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

malloc

cpp 复制代码 
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);

malloc传参时，是传要开辟空间的字节数，最后还要手动free（p1）释放空间避免内存泄漏。

calloc

cpp 复制代码 
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));

calloc传参时，传的第一个参数是要开辟数据的个数，第二个参数是数据类型，但calloc会进行初始化，全部为零，而malloc全为随机值，最后还是要手动free（p2）释放空间避免内存泄漏。

realloc

cpp 复制代码 
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 5);

realloc是当前面开辟的空间不够用时，就需要扩容一块新的空间，第一个参数是要扩容空间的指针，和重新开辟空间的字节数，注意:这个relloc分为原地扩容 ，即当原来的空间后面有多余的空间没被占用，且扩容空间较小时，扩容空间会直接在后面扩容，即p2，p3指向同一块地址，还有一种叫异地扩容，就是重新开辟一块空间，再将p2的按字节复制给p3。这里不用手动释放p2，在realloc函数中已经将p2释放掉了，但是需要手动释放p3。

3.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。

3.1 new/delete操作内置类型

例如：

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3个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];
	// 动态申请3个int类型的空间并且初始化
	int* ptr7 = new int[3] {1,2,3};
  	int* ptr8 = new int[5] {1,2,3};
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
    delete[] ptr7;
    delete[]ptr8;
}

对于内置类型，没有初始化的为随机数，开辟数组时，初始化个的个数不够时，剩余部分为零。还要注意new和delete匹配使用：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[]。

3.2 new和delete操作自定义类型

例如：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		_i++;
		cout << _i<<"A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		_j++;
		cout <<_j<< "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
	static int _i;
	static int _j;
};

int A::_i=0;
int A::_j=0;

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
	// 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;
}

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。

自定义类型也可以通过给定一定的参数初始化，这里是通过构造函数完成的。

例如：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;

};

int main()
{
	//A a1(1), a2(2), a3(3);
	//A* p6 = new A[3]{a1, a2, a3};
	A* p6 = new A[10]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };
	delete[] p6;

	return 0;
}

这里传参时应该传A类的对象进行初始化，但是可以利用隐式类型转化（小编前面C++类中有详细讲解），直接传构造函数需要的类型参数就可以了，这样方便书写。

4. operator new与operator delete函数

4.1 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，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 
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)

从这个内置函数，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。

从转到反汇编的角度可以看出：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。

5. 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

  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[ ]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

  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

6.new，delete，malloc，free混用，会发生什么

例子1：（malloc和delete）

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	delete p5;   
	return 0;
}

例子2：（new T[N]和delete）

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p6 = new int[10];
	delete p6;
	return 0;
}

对于上述两种情况会报错吗？实际上不会，因为delete的底层就是用的free，对于内置类型就可以正常运行。

例子3：（new T[N]和delete）

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;

};
int main()
{
	A* p7 = new A[10];
	delete p7;    
	return 0;
}

可以看到，报了关于内存的问题，并且发现只调用了一次析构函数，这是为什么呢？

从反汇编看：

p7的内存：

可以看到这里size是84，A是八个字节，十个不应该是80个吗，为什么是84呢？其实在new一块连续的空间时，会在前面开四个字节，来表示开辟数据的个数，这里是10，所以这里一共就80+4，84个字节，但返回的指针是从第一个有效数据空间开始的，所以当delete时，就会从开辟的连续空间的中间开始释放，而不是从指向表示数据个数的空间那里开始释放，这样，就会报错。

例子4：（当自定义类型，没有显示析构函数）

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	//~A()
	//{
	//	cout << "~A():" << this << endl;
	//}
private:
	int _a1;
	int _a2;

};
int main()
{
	A* p7 = new A[10];
	delete p7;    
	return 0;
}

这里又不会报错了，这又是为什么？这里没有显示的调用析构函数，编译器默认的析构函数，发现这里A类中没有需要释放的资源，就会优化，不去调用析构函数，也就不会去多开四个字节，去存数据个数，去记录掉几次析构，就直接free（delete底层就是free）掉了。

7. 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

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