C++内存管理

原创已于 2024-07-26 22:50:49 修改 · 1.1k 阅读

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#数据结构

于 2024-07-26 22:22:08 首次发布

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一、内存分布：

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。（了解一下）

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。

做个题目：

前5个：C、C、C、A、A

后6个：A、A、A、D、A、B

✨✨char2的写法是在栈开辟了5个字节空间.将字符串abcd拷贝过来解引用就是数组首元素地址✨✨pChar3是指变量本身，本身也是一个在栈上的，虽然这里是被const修饰的对象，const修饰的对象仍然在栈上，*pChar3就是解引用，访问的首元素地址，C语言的时候就知道了，将字符串接直接赋值给char型指针，这个字符串是常量字符串

二、C++内存管理：

🪰🪰C语言内存管理方式（malloc/realloc/calloc等）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。

1、new/delete操作内置类型：

void Test1()
{
	int* p1 = new int;//申请一个int型大小的空间：4个字节
	int* p2 = new int[10];//申请10个int型大小的空间：10*4个字节

	delete p1;//销毁
	delete[]p2;//销毁 

	//申请对象+初始化
	int* p3 = new int(0);//单个用括号
	int* p4 = new int[10] {0};//类似数组初始化，花括号
	int* p5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10};

	delete p3;
	delete[]p4;
	delete[]p5; 

}

注意：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

2、操作自定义类型：

🧑‍🎓🧑‍🎓在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与 free不会。

class A
{
public:
	A(int a1 = 1,int a2=1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	A(const A& d)//拷贝构造
	{
		cout << "const A& d" << endl;
	}
	~A()//析构
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};
int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	A* p2 = new A(2, 2);

	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };//初始化

	A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) };//使用匿名对象初始化

	A* p5 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };//使用隐式类型转换初始化
	cout << "##########" << endl;
	delete p1;
	delete p2;
	delete []p3;
	delete []p4;
	delete []p5;
	cout << "##########" << endl;
	return 0;
}

🪰🪰每次使用new都会去调用构造函数，delete会去调用析构

🪰🪰构造和析构的次数和申请空间个数是一样的

🪰🪰上图中，下面2种方法使用起来更方便，且不需要额外创建对象。本来下面2种也应该会调用拷贝构造的，但是编译器进行了优化，只进行构造，在类和对象（下）有讲过。

🪰🪰在C语言中，申请失败是返回NULL，当new出现了失败就会出现抛异常

✨✨用该语法，当出现错误时就会打印出为啥出错

🐸🐸感兴趣的：可以用下面的代码进行检查，32位和64位下，创建个数是不一样的

void Fuc1()
{
	int n = 1;
	while (n)
	{
		void* p = new char[1024 * 1024];
		cout <<p<< "->" << n << endl;
		n++;
	}
}
int main()
{
	try 
	{
		Fuc1();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

三、operator new和operator delet：

🧑‍🎓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 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。

🐸🐸其实可以说oprator new相当于是malloc的一层外壳，delete是free的外壳，C++希望失败按照新的机制走，所以加了一层外衣，改变原来机制。当new失败时就会出现抛异常

总结：✨new的底层是operator new ，delet的底层是operator delete

四、new和delete实现原理：

1、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

2、自定义类型：

（1）、new的原理：

1. 调用operator new函数申请空间

2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

（2）、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

（3）、new T[]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

（4）、delete []T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

其实为了区分单个元素和多个元素的。一定要匹配使用new和delete

new:

delet:

3、总结：

五、一个比较有意思的现象：

class A
{
public:
	A(int a1 = 1,int a2=1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	A(const A& d)//拷贝构造
	{
		cout << "const A& d" << endl;
	}
	~A()//析构
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};
class B
{
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

先写几个比较好玩的：

①这里用的时free匹配new，没有出现内存泄漏🧑‍🎓🧑‍🎓因为delete底层是free嘛

②虽然这样也没有崩溃，但是这是不确定性的，如果有资源使用，那就崩溃了。

③直接跳过delete[]进行释放，还是没有内存泄露

④但是这里我们用A类去这么delete 🤔发生了错误？？为啥呢？？我明明和上面B类一样的写法呀

✨✨ 从底层来说

根据上面代码来看，A和B的对象大小一样大的；但是申请时，大小不一样

🪰🪰X86（32位）环境下：A类对象申请空间应该是多4个字节；

👉👉 如下：因为释放的位置不对，所以对于p4进行释放会发生报错

🧑‍🎓多的8个字节是为了存你申请的个数（用来记录信息的），为了给delet[]用的，告诉编译器要使用多少次析构函数👉✨✨ 为啥A类要多开八个字节？？？B不要，因为B没有写析构函数，所以直接被优化掉了，不会调用析构函数，也就不需要在前头需要额外空间存个数了，在x86大小是4 ； x64大小是8（至于为啥这样我也不是很清楚，还需要查找，但是用来理解还是可以的）

总结：

✨✨一定要匹配使用，不然容易出错。

六、 malloc/free和new/delete的区别：

共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点是：

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（抛异常）

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

七、定位new表达式(placement-new) ：

定义：已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。（就是为了显示的调用构造函数进行初始化）🧑‍🎓🧑‍🎓


int main()
{
	//等价于(A*)malloc(sizeof(A));因为operator new底层是调malloc
	A*p1=(A*)operator new(sizeof(A));

	//定位new来显示的调用构造进行初始化
	new(p1)A(1);

	p1->~A();//显示调用析构
	operator delete(p1);

	return 0;
}

🪰🪰 这么创建p1时，p1指向的只不过是和A对象相同的大小的空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行

🪰🪰构造函数不能显示进行调用，所以用定位new才能调用，而析构函数则可以显示调用。

✨✨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（定位new）进行显示调构造函数进行初始化。