C/C++内存管理

bananawolf

已于 2023-10-26 15:07:31 修改

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分类专栏： C++ 文章标签： c语言 c++

于 2023-10-26 15:07:09 首次发布

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1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

3.2 new和delete操作自定义类型

4. operator new与operator delete函数

6. 定位new表达式(placement-new)

7. malloc/free和new/delete的区别

1. C/C++内存分布

分析下面的变量储存的位置

#include<iostream>
using namespace std;

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;

int main()
{
	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);
	return 0;
}

globleVar：全局变量，在静态区

staticGlobalVar：静态全局变量，在静态区

staticVar：静态变量，在静态区

num1：数组名，栈 *num1：数组内容，栈

char2：数组名，栈 *char2：数组内容，栈

pChar3：const char* 类型指针，栈 *pChar3：内容属于const不可修改，常量区

ptr1，ptr2，ptr3：int* 指针，栈 *ptr1...：堆上申请的空间，堆

内存区域划分

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。

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

简单介绍

malloc：

函数 void *malloc( size_t size );

作用向堆上申请size个字节大小的空间，成功返回void* 类型的指针，失败返回nullptr

calloc：

函数 void *calloc( size_t num, size_t size );

作用向堆上申请size*num个字节大小的空间，size表示每个对象的大小，num表示对象的个数，并完成初始化0，成功返回void* 类型的指针，失败返回nullptr

realloc：

函数 void *realloc( void *memblock, size_t size );

作用把在堆上申请过的空间进行扩容，memblock表示之前申请的内存块的地址，size表示扩容后的大小，成功返回void* 类型的指针，失败返回nullptr。如果memblock为空，那么它会和malloc一样开空间，如果size的大小比之前小，就会减容。

free：

函数 void free( void *memblock );

作用把申请的空间归还，如果不free掉申请的空间就会发生内存泄漏，memblock是申请的内存块的地址，如果传错了，程序会崩溃

注意：

relloc扩容：

1.内存块后的可用空间满足扩容所需，会把后面的空间申请过来，返回的指针还是指向原来的位置

2,内存块后的可用空间不满足扩容所需，会在堆上的其他位置找一块足够大的空间，然后把前面的内容拷过来，再把之前的空间free掉，返回新的内存块的地址。

3. 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。

3.1 new/delete操作内置类型

int main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* p2 = new int[10];

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为1
	int* p3 = new int(1);

	// 动态申请10个int类型的空间并初始化
	int* p4 = new int[10] {1, 2, 3};

	delete p1;
	delete[] p2;
	delete p3;
	delete[] p4;
	return 0;
}

操作符：new / new[] / delete / delete[]

对象个数：[个数]

初始化：()（只能应用于单个对象的初始化） {}（都可以应用）

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
    A(int a = 0, int b = 0)
        : _a(a),
        _b(b)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
    int _b;
};

int main()
{
    A* p1 = new A;
    A* p2 = new A{ 1 };
    A* p3 = new A{1, 2};

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

    delete p1, p2, p3;
    delete[] p4;

	return 0;
}

new/delete 和 malloc/free最大区别是：

new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数

注意：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。

4. 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，否则抛异常。

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

5. new和delete的实现原理

5.1 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。

5.2 自定义类型

在自定义类型上 new / delete 会比 operator new / operator delete 多调用构造和析构

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

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

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

6. 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。

class A
{
public:
    A(int a = 0, int b = 0)
        : _a(a),
        _b(b)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
    int _b;
};

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));
    if (p1 == nullptr)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(-1);
    }
    new(p1)A(1, 2);
    p1->~A();
    free(p1);

    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));

    new(p2)A();
    p2->~A();
    operator delete(p2);

    return 0;
}