C++内存管理与模板初阶详解:从原理到实践

目录:


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:

  • :存储非静态局部变量、函数参数等,向下增长。
  • :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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
类型* 变量名 = new 类型(初始化);
cpp 复制代码
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 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 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)

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

  • 内置类型

    • 相似性new/deletemalloc/free 均用于内存申请/释放
    • 差异
      • new 失败抛异常,malloc 返回 NULL
      • new[]delete[] 专门处理连续空间(如数组)
  • 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 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
/*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 复制代码
// 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 复制代码
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 复制代码
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 复制代码
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

  1. 若函数同名优先匹配普通函数。
  2. 若模板能生成更匹配的版本,则选择模板。
cpp 复制代码
// 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 复制代码
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

  1. 内存管理 :理解栈、堆等区域的区别,掌握new/deletemalloc/free的适用场景。
  2. 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。
  3. 建议
    • 动态内存需配对使用(new[]delete[])。
    • 类模板声明和定义不建议分文件编写(避免链接错误)。

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。

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