【C++】C&C++内存管理

时间:2022-01-26 01:09:13

【C++】C&C++内存管理


前言

我们的计算机,为了更好的对内存空间进行管理,将内存空间划分为以下几个区域:栈区、内存映射段、堆区、数据段、代码段,以及内核空间。C与C++在内存空间的分布是一致的。

内存分布

栈区

  • 栈又叫堆栈,用来存放我们的临时变量(非静态局部变量、函数参数、返回值等),临时变量的特点就是出了作用域就会自动销毁栈是向下增长的。即从高地址--->低地址使用。

内存映射段

  • 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。(这里我们只需要简单了解,还未接触到

  • 堆区用于程序运行时动态内存分配。一般由程序员自己动态开辟,并且手动释放。(malloc/realloc/calloc/还有即将学习的new等)堆区是向上增长,即低地址--->高地址。

数据段

  • 也就是我们说的静态区,用来存放全局数据、static修饰的静态数据

代码段

  • 用来存储可执行代码、只读常量

举个具体的例子,如下:

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C语言动态内存管理

C语言阶段,我们是使用malloc/calloc/realloc用来进行动态内存管理的,搭配free进行释放,关于这三者之间的使用方法以及注意事项,在之前的一篇文章中,有更加详细的介绍,这里就简单提一嘴。更为详细的介绍还请参考之前的文章,点击跳转

【C++】C&C++内存管理

C++动态内存管理

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newdelete操作符进行动态内存管理。

new使用方式:

// 动态申请一个int类型的空间,不做初始化
  int* ptr1 = new int;
 
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr2 = new int(10);

  // 动态申请10个int类型的空间,并将前四个元素初始化为1 2 3 4 ,其余初始化为0
  int* ptr3 = new int[10]{1,2,3,4};

我们发现,new的使用极其简单,没有类型强转,也没有空指针的检查,并且new还有一个与C语言malloc最大的区别,就是new一个自定义类型对象时,会自动调用该自定义类型的构造函数。

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总结:

  1. 用法极其简单,new可以初始化,也可以不初始化。单个空间用()初始化,数组空间用{}初始化。
  2. new一个数组空间时,用[],方括号内为元素个数
  3. 对于自定义类型,除了开辟空间,还会调用该自定义类型的构造函数

delete的使用方式

delete后面直接跟要释放的空间地址,这里需要注意的是,在delete一个数组空间时,要用delete[]与new 中的[]配套使用。如下:

// 动态申请一个int类型的空间,不做初始化
  int* ptr1 = new int;
   delete ptr1;

  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr2 = new int(10);
  delete ptr2;

  // 动态申请10个int类型的空间,并将前四个元素初始化为1 2 3 4 ,其余初始化为0
  int* ptr3 = new int[10]{1,2,3,4};
  delete[] ptr3;
  //注意:假如new中有[],delete也要加[]

当然,与free的最大不同之处就在于delete一个自定义类型时,会先调用该自定义类型的析构函数。

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总结

  1. delete与new搭配使用,new一个数组时用[],[]内为数组元素个数,同样,在delete时,也要用delete[]
  2. 对于自定义类型空间的释放,会先调用该自定义类型的析构函数

operator new与operator delete函数

我们看到operator,可能第一反应就是运算符重载,实际上这两个是个例外。operator new operator delete是系统提供的全局函数。我们可以观察它们的反汇编,来查看它们的底层实现。

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因此,我们可以这么来说,operator new与operator delete可以看作是malloc与free的封装

具体使用方法与malloc/free一致的。

//malloc
int* arr1=(int*)malloc(sizeof(int));
//operator new
int* arr2=(int*)operator new(sizeof(int));

//free
free(arr1);
//operator delete
operator delete(arr2);

深入探究new与delete

对于内置类型(int char double...)

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。

对于自定义类型

new的原理

  1. 先调用operator new函数进行开辟空间
  2. 再调用析构函数

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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

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new T[N]的原理

  1. 先调用operator new[],然后在operator new[]中调用N个operator new函数进行开辟N个对象空间。
  2. 再调用N次构造函数

delete[] 的实现原理

  1. 先调用N次析构函数,实现对资源的清理
  2. 再调用operator delete[] ,然后operator delete[]中调用N次operator delete,进行空间释放。

结论:一定要注意匹配使用,不要混着用,不然释放的最终结果是不确定的,对于普通的内置类型,编译器不会报错,但是对于一些特殊情况,则会出现问题,这里简单谈一谈。

开辟空间、释放空间使用不匹配问题

第一种情况:内存泄漏(编译器不会报错)

假如类成员变量中有成员向内存申请开辟空间,此时假如用free,就会造成内存泄漏。如下:

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第二种情况:空间未完全释放

我们在给自定义类型开辟一个数组空间时,new与delete都用到了[],这里谈一谈[]的作用,实际上,在使用new开辟空间的时候,会在最前端先开辟一个整型空间用来标记[]内的数字。但是返回给我们的是[]后面的空间的起始位置。如下:

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总结起来就一句话:配套使用即相安无事!

定位new表达式

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。简单来说,就是对已经存在的空间进行初始化。(目前了解即可)

class A
{
public:
    A(int a=10)
        :_a(a)
    {}
    ~A()
    {
        _a = 0;
    }
    void Print()
    {
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};
int main()
{

    A* ps = (A*)malloc(sizeof(A));
    if (ps == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
    }
    ps->Print();      // ps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 ,此时_a的值为随机值

    //此时我想对这块已有空间进行初始化,用定位new,调用A的构造函数对ps指向空间初始化
    new(ps)A;
    ps->Print();  //此时_a==10  

    //也可以进行传参,再次进行初始化
    new(ps)A(100);
    ps->Print();    //此时 _a==100
    
    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的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

所谓内存池就是从堆上申请出一块内存,放在内存池里,这样后面再申请空间时就不需要从堆上申请,而是直接拿内存池里的空间,会一定程度上提高效率。但是由于内存池里的空间都是未进行初始化的,而定位new就是对已经存在的空间进行初始化,作用在此。


end

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