C&C++内存管理

时间：2024-10-25 14:35:37

C\C++内存分布

下面是一段代码，一起看看这些都分布在内存的什么位置

 int globalVar = 1;
 static int staticGlobalVar = 1;
 void Test()
 {
 static int staticVar = 1;
 int localVar = 1;
 int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
 char char2[] = "abcd";
 const char* pChar3 = "abcd";
 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
 free(ptr1);
 free(ptr3);
 }

先介绍一下C\C++中程序内存区域划分。 image.png

  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共享内存，做进程间通信。
  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。

globalvar在 数据段 staticGlobalvar在 数据段 staticVar在 数据段 localVar在 栈 num1在 栈

globalvar 在局部域的外面，是全局变量。 staticGlobalva在局部域的外面，是全局变量并且是静态的。 staticVar在局部域里面，但是它是静态的。 localVar是整形的，num1是一个数组。这些都存在栈中。

c语言动态内存管理方式

之前写过关于c语言动态内存管理方式，下面是链接： c语言动态内存管理方式

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。 new/delete操作内置类型

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p2 = new int(10);
	//动态申请十个int类型的空间
	int* p3 = new int[10];

	delete p1;
	delete p2;
	delete [] p3;
	return 0;
}

image.png

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[]，注意：匹配起来使用。

申请多个对象的动态申请如何初始化呢？

int* p4 = new int[10] {0};//申请对象+初始化
delete[]p4;


int* p5 = new int[10] {1,2,3,4};//十个对象中，前四个为1，2，3，4后面剩下的初始化为0	
delete[]p5;

new/delete自定义内置类型

class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		:_a1(a1)
		, _a2(a2)
	{
		cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a1(aa._a1)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a1 = aa._a1;
		}
		return *this;
	}

	~A()
	{
		//delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "A::Print->" << _a1 << endl;
	}

	A& operator++()
	{
		_a1 += 100;

		return *this;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};

当可以默认构造的时候，也就是当A的构造函数是默认构造函数的时候。用下面这种方式很简单。

int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A(2, 2);
	A* p3 = new A[3];

	delete p1;
	delete p2;
	delete[]p3;
	return 0;
}

但是当构造函数不是默认构造函数时，将上面A的构造改为半缺省的构造函数时就不是默认构造函数了。

之前，时默认构造函数时。 image.png 修改后，是半缺省构造函数不是默认构造函数。 image.png

int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	A* p2 = new A(2,2);
	//多对象初始化时，可以用匿名对象
	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	A* p3 = new A[3]{aa1, aa2, aa3};

	A* p4 = new A[3]{ A(1,1), A(2,2), A(3,3)};

	//也可以用类型转换
	//A aa1 = { 1, 1 };
	A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };

	return 0;
}

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。

/*
 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
*/
 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。

new和delete的实现原理

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。 自定义类型 new的原理

调用operator new函数申请空间 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作 调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理

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 在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

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

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 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。

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