目录:
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- 一、C/C++内存管理
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- [1. 内存区域划分](#1. 内存区域划分)
- [2. 动态内存管理](#2. 动态内存管理)
- [3. 底层原理:operator new/delete](#3. 底层原理:operator new/delete)
- 4.new和delete的实现原理
- [5. 定位new(了解即可)](#5. 定位new(了解即可))
- 二、模板初阶
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- [1. 泛型编程](#1. 泛型编程)
- [2. 函数模板实例化](#2. 函数模板实例化)
- [3. 模板匹配原则](#3. 模板匹配原则)
- [4. 类模板](#4. 类模板)
- 三、总结
一、C/C++内存管理
1. 内存区域划分
C/C++程序的内存分为以下区域:
- 栈:存储非静态局部变量、函数参数等,向下增长。
- 堆:动态分配内存,向上增长,需手动管理。
- 数据段(静态区):存储全局变量和静态变量。
- 代码段(常量区):存储可执行代码和只读常量。
示例分析
cpp
int globalVar = 1; // 数据段
static int staticGlobalVar = 1; // 数据段
void Test()
{
static int staticVar = 1; // 数据段
int localVar = 1; // 栈
int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//栈
char char2[] = "abcd";//char2在栈 *char2也在栈
const char* pChar3 = "abcd";//pChar3在栈 *pChar3在代码段(常量区)
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//ptr1在栈 *ptr1在堆
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
free(ptr1);
free(ptr3);
}

2. 动态内存管理
C方式: malloc/calloc/realloc/free
malloc
:分配未初始化的内存。calloc
:分配并初始化为0。realloc
:调整已分配内存的大小。(分为原地扩容和异地扩容。如果要扩容的空间后面的空间够用没有被其他东西占用,就在原本的空间后面扩容;否则,就在内存中找一块要扩容成的空间大小的空间,并且会释放掉之前的空间)
cpp
int* p1 = (int*)malloc(4 * sizeof(int)); // 分配16字节未初始化
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 分配16字节并初始化为0
p1 = (int*)realloc(p1, 8 * sizeof(int)); // 扩容到32字节
free(p1);
C++方式 :new/delete
new
:分配内存并调用构造函数。delete
:调用析构函数并释放内存。
cpp
类型* 变量名 = new 类型(初始化);

cpp
class A
{
.......
}
int* p3 = new int(10); // 分配1个int,初始化为10
int* p4 = new int[5]; // 分配5个int
delete p3;
delete[] p4;//delete p4 只会释放一次,一般而言程序会崩溃
建议这样写
int* p5 = new int[5]{1,2,3,4,5};//隐式类型转换
delete[] p5;
A a1(1),a2(2),a3(3),a4(4);
A* p6 = new int[5]{a1,a2,a3,a4};
delete[] p6;

区别总结:
区别 | malloc/free | new/delete |
---|---|---|
初始化 | 无 | 调用构造/析构函数 |
类型安全 | 需手动强转类型 | 自动类型推导 |
失败处理 | 返回NULL | 抛出异常 |
类别 | 函数 | 操作符 |
申请空间 | 手动计算空间大小并传递 | 只需在其后跟上空间的类型;多个对象,[]中指定对象个数 |
申请自定义类型对象 | 只开辟空间 | 申请空间后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 |
3. 底层原理:operator new/delete
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。
operator new
:封装malloc
,失败时抛异常。operator delete
:封装free
。
cpp
/*
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)
这里的operator new 和operator delete不一定是这么写的,这里只是举例,具体请查阅官方的文档。
4.new和delete的实现原理
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内置类型
- 相似性 :
new
/delete
与malloc
/free
均用于内存申请/释放 - 差异 :
new
失败抛异常,malloc
返回NULL
new[]
和delete[]
专门处理连续空间(如数组)
- 相似性 :
-
自定义类型
new
原理 :operator new
申请内存 → 构造函数初始化对象delete
原理 : 析构函数 清理资源 →operator delete
释放内存new className[N]
原理 : 调用operator new[]
(内部用operator new
申请N个空间) → 执行 N次构造函数delete[]
原理 : 执行 N次析构函数 → 调用operator delete[]
(内部用operator delete
释放)
总结 : 用 new
/delete
管理对象内存更安全(自动调构造/析构),new[]
/delete[]
处理数组,内置类型类似 malloc
/free
,但异常处理更规范。
5. 定位new(了解即可)
在已分配的内存中初始化对象,常用于内存池。
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
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
/*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。*/
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;
}
二、模板初阶
1. 泛型编程
编写与类型无关的通用代码,通过模板实现代码复用,避免函数重载的冗余。模板是泛型编程的基础。
函数模板格式
template<typename T1, typename T2,...,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}
类模板格式template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};
注意:typename是用来定义模板参数关键字,也可以使用class(切记:不能使用struct代替class)
cpp
// 函数模板
template<typename T>
void Swap(T& a, T& b) {
T tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}
// 使用
int a = 1, b = 2;
Swap(a, b);

2. 函数模板实例化
隐式实例化:编译器自动推导类型
cpp
template<typename T>
T Add(T a, T b)
{
return a + b;
}
Add(1, 2); // T推导为int
Add(1.5, 2.5); // T推导为double
显式实例化:手动指定类型
cpp
Add<int>(1, 2.5); // 强制T为int,2.5被隐式转换为int
函数模板是一个蓝图,它本身并不是函数,是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器
cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
int main()
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
Add(a1, a2);
Add(d1, d2);
/*
该语句不能通过编译,因为在编译期间,当编译器看到该实例化时,需要推演其实参类型
通过实参a1将T推演为int,通过实参d1将T推演为double类型,但模板参数列表中只有
一个T,
编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
2. 显式实例化:在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
如果类型不匹配,编译器会尝试进行隐式类型转换,如果无法转换成功编译器将会报错。
2.5 模板参数的匹配原则
1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在,而且该函数模板还可以被实例化为这
个非模板函数
2. 对于非模板函数和同名函数模板,如果其他条件都相同,在调动时会优先调用非模板函数而
不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数, 那么将选择模
板
注意:在模板中,编译器一般不会进行类型转换操作,因为一旦转化出问题,编译器就需要
背黑锅
Add(a1, d1);
*/
// 此时有两种处理方式:1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
Add(a1, (int)d1);
Add<int>(a1, d1);
return 0;
}
3. 模板匹配原则
- 若函数同名优先匹配普通函数。
- 若模板能生成更匹配的版本,则选择模板。
cpp
// 普通函数
int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
// 模板函数
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(T1 a, T2 b)
{
return a + b;
}
Add(1, 2); // 调用普通函数
Add(1, 2.5); // 调用模板生成的Add<int, double>

4. 类模板
定义与实例化
cpp
template<typename T>
class Stack {
public:
Stack(int size = 4)
: _data(new T[size]),
_top(0)
{}
void Push(const T& val);
private:
T* _data;
int _top;
};
// 类外定义成员函数
template<typename T>
void Stack<T>::Push(const T& val)
{ /*...*/ }
// 实例化
// Stack是类名,Stack<int>才是类型
Stack<int> intStack; // 存储int的栈
Stack<double> dblStack; // 存储double的栈
类模板实例化与函数模板实例化不同,类模板实例化需要在类模板名字后跟<>,然后将实例化的类型放在<>中即可,类模板名字不是真正的类,而实例化的结果才是真正的类。
三、总结
- 内存管理 :理解栈、堆等区域的区别,掌握
new/delete
与malloc/free
的适用场景。 - 模板机制:通过函数模板和类模板实现泛型编程,提升代码复用率。
- 建议 :
- 动态内存需配对使用(
new[]
配delete[]
)。 - 类模板声明和定义不建议分文件编写(避免链接错误)。
- 动态内存需配对使用(
通过合理使用内存管理和模板,可以显著提高C++程序的效率和可维护性。