C/C++内存管理-EW帮帮网

文章目录

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.C++内存管理方式
- 3.1new/delete操作内置类型
- 3.2new/delete操作自定义类型
4.operator new与operator delete函数
5.new和delete的实现原理
6.总结malloc/free和new/delete的区别

1.C/C++内存分布

在C/C++中，内存管理是一个非常重要的概念，它涉及到程序如何分配、使用和释放内存资源。C/C++提供了灵活的内存管理机制，但同时也需要程序员手动管理内存，这既是一个强大的功能，也是一个容易出错的地方。以下是C/C++内存管理的一些关键知识点：

首先看以下代码可以不用急着做后面有可以做题的提示。

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";

	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);

}



1. 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？_c___

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？____



2. 填空题：

sizeof(num1) = ____;

sizeof(char2) = ____;   strlen(char2) = ____;

sizeof(pChar3) = ____;   strlen(pChar3) = ____;

sizeof(ptr1) = ____;

我们自己看这题，可能只能分得清局部变量甚至不知道有哪些存储区域。
我们接着就介绍一些存储区域：

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
C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/fr
创建共享共享内存，做进程间通信。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
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。

现在可以向上做做例题再看下方答案

在这里插入图片描述

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

在堆上开辟空间和释放空间的操作

2.1.malloc

malloc
结构： void* malloc (size_t size);
size：开辟空间的大小，单位是字节。
size_t：无符号整型。

当你调用malloc函数并传入一个参数size时，它会尝试在堆内存中分配一块大小为size字节的连续空间。如果分配成功，它会返回一个指向这块内存起始地址的指针，类型为void*。这个指针可以被强制转换为任何其他类型的指针，以便后续使用。
新分配的内存块的内容没有被初始化，其值是不确定的。

2.2.calloc

calloc
结构：void* calloc (size_t num, size_t size);
num：表示要分配的元素数量。
size：表示每个元素的大小。
size_t：无符号整型。

calloc 函数用于分配一块内存区域，并将该内存区域的所有位初始化为零。（有初始化行为）
分配一个大小为 (num * size) 字节的零初始化内存块。
如果 size 为零，返回值取决于特定的库实现，但返回的指针不应被解引用。

2.3.realloc

realloc
结构：void* realloc (void* ptr, size_t size);（为目标指针重新开辟空间）
ptr：这是一个指向之前通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块的指针。
size：这是内存块的新大小，以字节为单位。

该函数会改变由指针 ptr 指向的内存块的大小。
在原空间不足或不连续的情况下该函数可能会将内存块移动到一个新的位置（函数返回该新位置的地址）。
如果 ptr 是一个空指针，那么该函数的行为就像 malloc 一样，分配一个大小为 size 字节的新内存块，并返回指向该内存块起始位置的指针。

2.4.free

free
结构：void free (void* ptr);
ptr：“ptr”是一个指针变量的名字，用于标识一个内存块的地址。这个内存块是之前通过调用malloc、calloc或realloc函数分配得到的。

通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块会被free函数释放。释放之后，这块内存就重新变得可用，可以被后续的内存分配操作再次使用。例如，如果之前用malloc分配了一块大小为100字节的内存，调用free后，这100字节的内存就回到了系统的内存池中，后续如果再调用malloc等函数分配内存时，这块内存有可能被再次分配给新的变量。
如果ptr指向的内存不是通过malloc、calloc或realloc分配的，那么调用free函数会导致未定义行为。未定义行为意味着程序可能会崩溃、出现奇怪的错误，或者产生不可预测的结果。比如，如果ptr是一个指向静态分配的数组的指针，或者是一个指向其他非动态分配内存的指针，调用free就会引发问题。
这句话强调了一个重要的细节，free函数不会改变ptr指针本身的值。即使内存被释放了，ptr仍然会指向原来的地址，但这个地址此时已经无效了。（所以释放后可以将指针置空）

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。

3.1new/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3个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

3.2new/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;
}

在这里插入图片描述
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。

以下代码看不懂没关系，是底层实现。重点看注释

/*
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。

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

5.2.1.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

5.2.2delete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

5.2.3.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

5.2.4.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

6.总结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int* p4 = new int;，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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