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C/C++内存管理
本文结合C语言动态内存管理一起理解,体验更佳
一. C/C++内存分布
我们先来看下面的一段代码和相关问题
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);
}
- 选择题：
选项:
A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？____
staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____
localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
char2在哪里？____
*char2在哪里？___
pChar3在哪里？____
*pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____
*ptr1在哪里？____
答案:
globalVar在哪里？C
staticGlobalVar在哪里？C
staticVar在哪里？C
localVar在哪里？A
num1在哪里？A
char2在哪里？A
*char2在哪里？A
pChar3在哪里？A
*pChar3在哪里？D
ptr1在哪里？A
*ptr1在哪里？B
逐行解析：
- globalVar：全局变量存储在数据段（C）。
- staticGlobalVar：静态全局变量也存储在数据段（C）。
- staticVar：静态局部变量在函数内定义，但仍存于数据段（C）。
- localVar：函数内的局部变量位于栈（A）。
- num1：局部数组变量，存储在栈（A）。
- char2：局部字符数组，数组本身在栈（A）；初始化时会将常量字符串复制到栈内存，故*char2（数组首元素）也存于栈（A）。
- pChar3：局部指针变量存于栈（A）；它指向常量字符串"abcd"，故*pChar3在代码段（D）。
- ptr1：指针变量本身在栈（A）；malloc分配的内存位于堆（B）。
常见误解澄清
误解：字符串字面量一定在常量区？
- 字符串字面量本身：确实存储在代码段（D）。
- 字符数组初始化：会将字符串字面量的内容复制到栈数组中，因此 char2 的元素是栈上的副本。
示例对比
声明方式 存储位置 *char2 的存储位置 char char2[] = “abcd”; 栈(数组) 栈(A) const char* p = “abcd”; 指针在栈，字符串在常量区 常量区(D)
总结
- char2[] 是栈数组，其所有元素（包括 *char2）均在栈（A）。
- 字符串字面量 “abcd” 本身在代码段（D），但初始化时会被复制到栈数组。
【说明】
- 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。
- 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。
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
- 数据段–存储全局数据和静态数据。
- 代码段–可执行的代码/只读常量。
二. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
void Test() {
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3);
}
【面试题】
- malloc/calloc/realloc的区别？
- malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理
1.1 malloc(size)
功能：分配 size 字节的未初始化内存（内容随机）。
1.2 calloc(num, size)
功能：分配 num * size 字节的零初始化内存（内容全0）。
1.3 realloc(ptr, new_size)
功能：调整 ptr 指向的内存块为 new_size 字节（可能迁移地址，保留原数据）。
2. realloc 已隐式释放了 ptr2 的旧内存。
三. 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。
1. new/delete操作内置类型
void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr4 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}
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. new和delete操作自定义类型
class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
// 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
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
return 0;
}
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。
四. operator new与operator delete函数
1. operator new与operator delete函数（重点）
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。*/
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。
五. new和delete的实现原理
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
2.1 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
2.2 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
2.3 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
2.4 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
六. 定位new表达式(placement-new) （了解）
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) : _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A():" << this << endl
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
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));
new(p1)A;
// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A(); free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
七. 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：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
- 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
- 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
- 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
- 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
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