【C++篇】剖析内存底沉:C/C++高效内存管理剖析

时间:2024-10-20 13:26:28

文章目录

前言

???? 欢迎讨论:如果你在学习过程中有任何问题或想法,欢迎在评论区留言,我们一起交流学习。你的支持是我继续创作的动力!

???? 点赞、收藏与分享:觉得这篇文章对你有帮助吗?别忘了点赞、收藏并分享给更多的小伙伴哦!你们的支持是我不断进步的动力!
????分享给更多人:如果你觉得这篇文章对你有帮助,欢迎分享给更多对C++感兴趣的朋友,让我们一起进步!

内存管理的重要性在于补充:内存管理的重要性在于12:

  • 避免系统崩溃或死机,提高系统的稳定性。
  • 优化内存的使用,提高系统的性能。
  • 提高系统的安全性,避免恶意程序通过修改内存来破坏系统的安全性。
  • 避免内存资源的浪费,提高系统的资源利用率。

由此可见 ,内存管理对计算机程序发挥着至关重要的作用。

1. C/C++ 内存分布

在 C 和 C++ 中,内存可以分为多个区域,包括栈、堆、数据段、代码段等。这些区域分别用来存储不同类型的数据。通过以下示例代码,我们可以直观地理解这些区域的作用:

int globalVar = 1;           // 全局变量
static int staticGlobalVar = 1; // 静态全局变量

void Test() {
    static int staticVar = 1; // 静态局部变量
    int localVar = 1;         // 局部变量
    int num1[10] = {1, 2, 3, 4}; // 局部数组
    char char2[] = "abcd";    // 字符数组
    const char* pChar3 = "abcd"; // 字符指针常量
    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);  // 动态分配内存
    int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));  // 动态分配并初始化
    int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4); // 重新分配内存
    free(ptr1); // 释放内存
    free(ptr3);
}

 上述变量分布情况如下:

内存区域分类:

介绍主要的几个:

。栈(Stack):存储局部变量(如 localVar),以及函数调用时的参数和返回值。
。堆(Heap):存储动态分配的内存(如通过 malloccallocrealloc 分配的内存)。
。数据段(Data Segment):存储全局变量和静态变量(如 globalVarstaticGlobalVar)。
。代码段(Code Segment):存储程序的可执行代码以及只读常量(如 pChar3 所指向的字符串)。

2. C语言中的动态内存管理

C 语言提供了几种用于动态分配内存的函数:malloccallocrealloc 和 free。这些函数用于在程序运行时动态地分配和释放内存。 

2.1 malloc、calloc 和 realloc 的区别


malloc:用于分配指定大小的内存块,内存中的内容未初始化。
。calloc:类似于 malloc,但会将内存初始化为零。它的参数为元素的数量和每个元素的大小。
。realloc:用于调整之前分配的内存块的大小,如果新大小大于原大小,可能会移动内存块的位置。(即扩容

示例:

int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);  // 分配4个int类型大小的内存块
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));   // 分配并初始化4个int类型大小的内存块
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4); // 重新分配内存
free(ptr1);
free(ptr3);

2.2 malloc 实现原理 

glibc中malloc实现原理

 malloc 底层通常通过操作系统的 brk 或 mmap 系统调用分配内存。具体实现可能因平台和 C
标准库的不同而有所区别。在 GNU C 库(glibc)中,malloc通过维护一个*链表来跟踪已分配和未分配的内存块,并根据请求的大小寻找合适的内存块进行分配。

3. C++ 内存管理 

C++ 继承了 C 语言的内存管理方式,并在此基础上引入了 new 和 delete 操作符,提供更方便的动态内存管理机制。与 malloc 和 free 不同,new 和 delete 适用于对象的动态内存分配,并且会自动调用构造函数和析构函数。

3.1 new和delete操作符

在 C++ 中,newdelete 操作符可以用于动态分配和释放内置类型(如 intfloat 等)的内存。对于单个变量和数组,使用 newdelete 具有一些特定的规则,特别是在内存初始化和释放时。以下是对 new 和 delete 及其在数组中的使用进行的详细解析。

示例代码:

#include <iostream>

int main() {
    // 使用 new 动态分配单个 int,未初始化
    int* ptr = new int;   // 分配内存,未初始化,内容是随机值
    std::cout << "未初始化的值: " << *ptr << std::endl;

    // 使用 new 动态分配并初始化为 0
    int* ptrZero = new int();   // 初始化为 0
    std::cout << "初始化为 0 的值: " << *ptrZero << std::endl;

    // 使用 new 动态分配并初始化为 5
    int* ptrValue = new int(5); // 初始化为 5
    std::cout << "初始化为 5 的值: " << *ptrValue << std::endl;

    // 释放动态分配的单个内存
    delete ptr;
    delete ptrZero;
    delete ptrValue;

    // 使用 new 动态分配数组,未初始化
    int* arr = new int[5];  // 分配5个元素的数组,未初始化,内容是随机值
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "arr[" << i << "] = " << arr[i] << std::endl;
    }

    // 使用 new 动态分配并初始化数组
    int* arrInit = new int[5]{1, 2, 3, 4, 5};  // 初始化数组,指定每个元素的初始值
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "初始化的 arrInit[" << i << "] = " << arrInit[i] << std::endl;
    }

    // 释放动态分配的数组
    delete[] arr;
    delete[] arrInit;

    return 0;
}

代码解析:

1. 单个变量分配(未初始化):

int* ptr = new int;

  • 作用:动态分配一个 int,但未初始化。此时分配的内存包含随机值(未定义的内容)->内存在看到的是cd cd cd cd(16进制)。
  • 输出*ptr 中的值是不确定的,可能会输出垃圾值(随机值)。

 2. 单个变量分配并初始化为 0:

int* ptrZero = new int();

  • 作用:通过使用 (),[()中未显示初始化默认为0],将分配的 int*所指的内容 初始化为 0。
  • 输出*ptrZero 输出的值为 0。

3. 单个变量分配并初始化为指定值:

int* ptrValue = new int(5);
  • 作用:使用 new 初始化分配的 int*所指的内容 为指定值 5。
  • 输出*ptrValue 的值为 5。

4. 释放内存:

delete ptr;
delete ptrZero;
delete ptrValue;
  • 作用delete 用于释放通过 new 分配的内存。如果不及时释放,可能会导致内存泄漏。每次 new 都必须有对应的 delete

5. 数组分配(未初始化):

int* arr = new int[5];
  • 作用:动态分配一个包含 5 个 int 元素的数组。数组中的元素不会被初始化,内存中包含随机值。
  • 输出:输出数组中每个元素 arr[i],这些值都是随机值。

6. 数组分配并初始化:

int* arrInit = new int[5]{1, 2, 3, 4, 5};

  • 作用:通过 {} 进行数组初始化,指定数组中每个元素的初始值。
  • 输出arrInit 数组的元素分别被初始化为 {1, 2, 3, 4, 5},并依次输出。

7. 释放数组内存:

delete[] arr;
delete[] arrInit;

  • 作用:对于通过 new 分配的数组,必须使用 delete[] 来释放内存。

 

 4. operator new 与 operator delete

operator new operator delete 是系统提供的全局函数,分别用于动态分配和释放内存。它们实际上是 newdelete 操作符的底层实现。在 C++ 中,new 操作符首先调用 operator new 分配内存,然后调用构造函数初始化对象;而 delete 操作符首先调用析构函数清理对象,然后调用 operator delete 释放内存。

 关系:可以联想数学中的集合即 operator newoperator delete 分别是 newoperator 的子集。

4.1 operator new 的实现原理

operator new 的实现原理如下(源代码):

void* operator new(size_t size) {
    void* p;
    // 尝试分配 size 字节的内存
    while ((p = malloc(size)) == nullptr) {
        // 如果 malloc 分配失败,尝试执行内存不足的应对措施
        if (_callnewh(size) == 0) {
            // 如果没有用户设置的处理措施,抛出 std::bad_alloc 异常
            throw std::bad_alloc();
        }
    }
    return p;
}

从上述代码中看出,operator new 本质上是通过 malloc 来分配内存的。不同的是,如果内存分配失败,operator new 会尝试抛异常(_callnewh()),而 malloc 只是简单返回 NULL。

4.2 operator delete 的实现原理

void operator delete(void* p) {
    free(p);
}

直接使用 free 函数释放内存。

 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
5. new 和 delete 原理
5.1 内置类型的内存管理

对于内置类型(如 intfloat 等),new 和 malloc 在内存分配上是类似的。它们都分配指定大小的内存并返回指向该内存的指针。然而,new 与 malloc 的不同之处在于:

  • 单个元素的分配new 可以分配单个内置类型的内存,而 malloc 只能分配一块指定大小的内存。
  • 异常处理:当内存分配失败时,new 会抛出异常,可以通过try{}catch(){}捕获异常,而 malloc 则返回 NULL

示例代码: 

int* p1 = new int;   // 分配单个int类型空间
delete p1;           // 释放内存

int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); // 使用malloc分配内存
free(p2);            // 释放内存

5.2 自定义类型的内存管理

对于自定义类型,new 和 delete 的作用更加明显,因为它们除了分配和释放内存之外,还会自动调用构造函数和析构函数。这一特性使得 new 和 delete 成为管理复杂对象的首选。

5.2.1 new 的原理:
  1. 调用 operator new 分配内存:为对象分配所需的内存。
  2. 在已分配的内存上调用构造函数:通过构造函数来初始化对象。
5.2.2 delete 的工作过程:
  1. 调用析构函数:析构函数会清理对象占用的资源(如释放动态分配的内存等)。
  2. 调用 operator delete 释放内存:通过 free 或类似的机制将内存归还给操作系统。
示例代码: 

class A {
public:
    A(int a) : _a(a) {
        std::cout << "Constructor called" << std::endl;
    }
    ~A() {
        std::cout << "Destructor called" << std::endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main() {
    A* obj = new A(10);  // 动态分配并调用构造函数
    delete obj;          // 调用析构函数并释放内存
}

6. malloc/free 和 new/delete 的区别(面试常考)

malloc/free 和 new/delete 都是从堆上分配内存,并且都需要用户手动释放,但它们之间存在一些区别:

6.1 语法上的区别
  • malloc/free 是函数malloc 和 free 是 C 标准库中的函数,用于动态内存管理。
  • new/delete 是操作符new 和 delete 是 C++ 的内置操作符,主要用于对象的动态内存管理。
6.2 初始化的区别
  • malloc 不会初始化内存malloc 只是分配一块内存,而不负责初始化内容。如果想初始化,必须手动进行赋值操作或使用 calloc
  • new 会调用构造函数new 不仅分配内存,还会调用构造函数来初始化对象,因此适用于分配类对象时的动态内存管理。
6.3 内存分配失败的处理方式

。malloc 分配失败返回 NULL:如果 malloc 无法分配内存,它会返回 NULL,程序员需要手动检查返回值。
。new 分配失败抛出 std::bad_alloc 异常:当 new 失败时,它会抛出 std::bad_alloc 异常,程序员可以使用 try-catch 语句捕获异常,进行相应处理。

6.4 自定义类型的对象分配

malloc/free 不会调用构造函数和析构函数:malloc 仅仅分配内存,无法初始化对象,也不会调用析构函数来清理对象的资源,因此需要手动处理对象的初始化和销毁。
new/delete 会调用构造函数和析构函数:new 在分配内存后会调用构造函数,delete 在释放内存前会调用析构函数,适合处理类对象的动态内存分配和释放。

6.5 异常安全性与内存泄漏问题

new/delete 提供更好的异常安全性:由于 new 操作符会在对象构造失败时自动释放分配的内存,并抛出异常,因此相比 malloc/freenew/delete 更安全,能有效避免内存泄漏。
malloc/free 的内存管理需要额外小心:使用 malloc 时,由于无法调用构造和析构函数(不支持),程序员需要手动处理内存释放和对象销毁,容易出现内存泄漏。

7. 定位 new 表达式 (Placement-new)

定位 new 表达式是一种高级用法,它允许在已分配的内存上构造对象(难理解),而不需要重新分配内存。通常用于内存池、嵌入式系统或者需要精细控制内存分配的场景中。

7.1 定位 new 的使用方式

定位 new 表达式的语法如下:

new (place_address) type;

其中 place_address 是要放置对象的内存地址,type 是要构造的对象类型。通常用在已经手动分配的内存(比如通过 malloc)上,避免重复分配内存。

示例:

class A {
public:
    A(int a) : _a(a) {
        std::cout << "Constructor called" << std::endl;
    }
    ~A() {
        std::cout << "Destructor called" << std::endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main() {
    A* obj = new A(10);  // 动态分配并调用构造函数
    delete obj;          // 调用析构函数并释放内存
}
7.2 定位 new 的注意事项
  1. 手动调用析构函数:由于定位 new 表达式不负责释放内存,因此在对象生命周期结束时,必须显式调用对象的析构函数来清理资源。
  2. 内存释放:使用定位 new 时,必须手动释放内存(如使用 free)。定位 new 仅在已经存在的内存上构造对象,不会负责内存的分配与释放。
7.3 定位 new 的应用场景
  • 内存池管理:在高性能应用中(如游戏引擎、嵌入式系统),为了减少频繁的内存分配和释放,通常使用内存池。定位 new 允许在预分配的内存中灵活构造和销毁对象,提高了内存管理的效率。
  • 嵌入式系统:在内存受限的环境中,定位 new 可以避免重复分配内存,节省开销,且提高了系统的性能。
总结

总结来说,内存管理是操作系统中至关重要的部分,它直接影响到系统的稳定性和性能。 一个优秀的内存管理策略能够最大化资源的利用率,减少内存碎片,加快程序的执行速度,并且提供必要的安全保障。 因此,深入理解并掌握操作系统的内存管理机制,对于系统程序员来说是必不可少的技能。

 

相信通过这篇文章你对C++类与对象高级部分的有了初步的了解。如果此篇文章对你学习C++有帮助,期待你的三连,你的支持就是我创作的动力!!!

下一篇文章再会.