【C++】5. 内存管理-EW帮帮网

文章目录

一、C/C++内存分布
二、C语言内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
三、C++内存管理方式
- 1、new/delete操作内置类型
- 2、new和delete操作自定义类型
四、operator new与operator delete函数
五、new和delete的实现原理
- 1、内置类型
- 2、自定义类型
六、定位new表达式(placement-new)
七、malloc/free和new/delete的区别

一、C/C++内存分布

栈又叫堆栈：包括非静态局部变量、函数参数、返回值等等，栈向下增长。
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：动态内存分配，堆向上增长。
数据段：全局数据、静态数据。
代码段：可执行的代码、只读常量。

观察下列变量在内存中的存储位置：
在这里插入图片描述
特别要注意的是，char2、pChar3、ptr三者在函数体内都属于局部变量，因此都存储于栈。而char是局部数组，是将常量区的字符串拷贝到栈上，因此*char（数组首元素）依旧指向栈；pChar3是指针，指向的内容是常量字符串，因此*pChar3指向常量区；同理ptr也是指针，指向的内容是动态内存开辟的，因此*ptr指向堆。

二、C语言内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

【面试题】

malloc/calloc/realloc的区别？

在C语言专栏中讲解过，链接如下：动态内存管理。

malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理

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

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： 要匹配使用。

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* p1 = new int;//动态申请1个int类型的空间
	int* p2 = new int[10];//动态申请10个int类型的空间

	int* p3 = new int(0);//申请1个空间，并初始化为0
	int* p4 = new int[10] {0};//申请10个空间，并初始化为0
	int* p5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};//申请10个空间，前5个初始化为12345

	delete p1;
	delete[] p2;
	delete p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;

	return 0;
}

调试观察：
在这里插入图片描述

2、new和delete操作自定义类型

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。

链表的创建：

#include<iostream>
using namespace std;

struct ListNode
{
	int val;
	ListNode* next;

	ListNode(int x)//构造函数
		:val(x)
		, next(nullptr)
	{}
};

int main()
{
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);
	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;

    delete n1;
	delete n2;
	delete n3;
	delete n4;

	return 0;
}

调试观察：
在这里插入图片描述
成功实现了链表的创建。

#include<iostream>
using namespace std;

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()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}

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

private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};

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

	A aa1(1, 1);//类的实例化
	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) };//临时对象

	A* p5 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };//隐式类型转换：A aa1={1,1}
     
    delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;
  
	return 0;
}

调试观察：
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。

四、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。
//申请失败，尝试执行空间不足应对措施，如果该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。

我们来看一个例子：

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a1)
		:_a1(a1)
	{ 
		cout << "A(int a1)" << endl;
	}

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

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}

private:
	int _a1 = 1;
};

int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	delete p1;

	return 0;
}

通过调试查看反汇编：
在这里插入图片描述
发现的确是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。

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[ ]申请和释放的是连续的空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

抛异常举例如下：

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	try
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p1 << endl;

		void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p2 << endl;

		void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p3 << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

x86环境下运行结果：
在这里插入图片描述

实际上在32位的条件下，堆的虚拟内存只有1.8G左右，因此p1动态内存开辟一个G后，p2就不足以再开辟内存了。

我们可以写个小程序测试一下堆的虚拟内存到底能开辟多少G内存

#include<iostream>
using namespace std;

void func()
{
	int n = 1;
	while (1)
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p1 << "->" << n << endl;
		++n;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

在（x86）32位下：

最多能开辟1个G。

在（x64）64位下：

最多能开辟307个G。

2、自定义类型

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函数来释放空间。

六、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。

#include<iostream>
using namespace std;

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

	~A()
	{
		cout << "~A():" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	delete p1;

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));//只开辟了空间
	new(p2)A(1);//显示调用构造函数初始化

	p2->~A();//显示调用析构函数清理资源
	operator delete(p2);//只释放了空间

	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。

【C++】5. 内存管理