C/C++内存管理

waves浪游2024-12-15 11:12

文章目录

  • 目录
    • [1. C/C++内存分布](#1. C/C++内存分布)
    • [2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free](#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. 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delete操作自定义类型](#3.2 new和delete操作自定义类型)
    • [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. 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)
    • [6. 定位new表达式(placement-new)](#6. 定位new表达式(placement-new))
    • [7. malloc/free 和 new/delete 的区别](#7. malloc/free 和 new/delete 的区别)

目录

  • C/C++内存分布
  • C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
  • C++内存管理方式
  • operator new 与 operator delete 函数
  • new 和 delete 的实现原理
  • 定位new表达式(placement-new)
  • malloc/free 和 new/delete 的区别

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	//栈
	const int a = 0;
	int b = 0;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	const char* p = "11111111";
	cout << (void*)p << endl;

	return 0;
}

说明：

  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。

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

cpp 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);
}

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

cpp 复制代码 
int main()
{
	//内置类型
	//除了用法方便，c malloc没什么区别
	/*int* p1 = new int;
	int* p2 = new int[10];*/

	//默认不初始化，但是可以初始化
	int* p1 = new int(0);
	int* p2 = new int[10]{ 1, 2, 3, 4 };

	delete p1;
	delete[] p2;

	return 0;
}


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[]。

3.2 new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

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

	A(int a1, int a2)
	{
		cout << "A(int a1, int a2)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;

		if (this != &aa)
		{
			_a = aa._a;
		}

		return *this;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//自定义类型，new才能调用构造初始化，malloc不再适用
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//p1->_a = 0;//err
	free(p1);

	//开空间/释放空间，还会调用构造和析构
	A* p2 = new A;
	A* p3 = new A(2);

	delete p2;
	delete p3;

	cout << endl;

	//A* p4 = new A[10];
	//A aa1(1);
	//A aa2(2);
	//A aa3(3);
	//A* p4 = new A[10]{ aa1, aa2, aa3 };

	A* p4 = new A[10]{ 1, 2, 3, 4, 5, {6,7} };
	delete[] p4;

	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。

4. 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 
/*
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。

但是，有些同学会产生疑问：为什么不直接用 malloc ，而要用 operator new。

因为 malloc 失败会返回空，用 malloc 时要检查有没有成功；而 new 引出了一个叫做异常的东西（先简单了解一下）：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}

void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;

	ListNode(int val)
		:_next(nullptr)
		, _val(val)
	{}
};

void func()
{
	//new失败了，抛异常，不需要再检查返回值
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);

	int* p1 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p2 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p3 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p4 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p5 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p6 = new int[100 * 1024 * 1024];

	n1->_next = n2;
	n2->_next = n3;

	delete n1;
	delete n2;
	delete n3;
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

因此， operator new 是 malloc + 失败抛异常，它是为了封装 malloc；operator delete 是为了配对，就是把 free 封装一下。

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[] 申请和释放的是连续空间，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
cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

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

	A(int a1, int a2)
	{
		cout << "A(int a1, int a2)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;

		if (this != &aa)
		{
			_a = aa._a;
		}

		return *this;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

#include <stack>

int main()
{
	//operator new->(malloc) + 构造函数
	A* p2 = new A;

	//析构 + operator delete
	delete p2;

	stack<int>* p3 = new stack<int>;
	delete p3;

	return 0;
}


cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}

private:
	int _a;
};

//结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定
int main()
{
	//A* p1 = new A;
	A* p2 = new A[10]; //44 or 40 取决于有没有定义析构函数
	//free(p2);//err
	delete[] p2;
	//delete p2;//err

	int* p3 = new int[10]; //40
	//free(p3);

	return 0;
}

6. 定位new表达式(placement-new)

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

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

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 = new A;
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	//p1->A();//不支持这样显式调用构造
	//new(p1)A;//对已有空间，显式调用构造
	new(p1)A(10);//对已有空间，显式调用构造

	//delete p1;
	p1->~A();
	operator delete(p1);

	//new []
	A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A) * 10);
	//new(p2)A[10]{ 1, 2, 3, 4 };
	//以上写法也可以，但是最好用循环来写
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		new(p2 + i)A(i);
	}

	//delete[]
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		(p2 + i)->~A();
	}

	operator delete[](p2);

	return 0;
}

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的定位表达式进行显式调构造函数进行初始化。

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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