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猿创征文｜C&C++——内存管理|内存区域划分介绍|内存分布C++内存管理方式|operator new与operator delete函数 |

2022-12-09 185
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简介： 笔记

内存区域划分介绍

1.png

我们平时写的代码是以文件的形式存在磁盘上


编译链接->可执行程序（.exe等）


可执行程序还是一个文件存在磁盘上，该文件主要部分是二进制指令代码和数据


不同的数据要放到不同的区域（这些区域是操作系统划分的）


加载的主要数据是全局变量，常量数据，把二进制指令加载到代码段，堆和栈的数据此时不开，栈上的区域是在建立栈帧的时候开辟的，堆上的是通过动态内存管理进行空间开辟或是释放的


内存分布

先做下面几道选择题入门

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);
}

1. 选择题：

选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

2.png

对于char2，"abcd"存在于常量区，拷贝了一份给char2，char2在栈区,*char2也在栈区，因为char2指向拷贝的这一份

3.png

pchar3是个指针，指针在栈区，指针指向常量区，*pchar3在堆上

4.png ptr1是指针，这个指针在栈上，只不过指针指向了开辟在堆上的空间，*ptr1在堆上


sizeof(num1) =40;

sizeof(char2) = 5; strlen(char2) =4 ;

sizeof(pChar3) = 4/8; strlen(pChar3) =4 ;

sizeof(ptr1) = 4/8;


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。

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[10];
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

如果new的时候带有[]，delete的时候也要带[]

C++98不支持new的时候对数组初始化，C++11支持new[]用{}初始化

5.png

new和delete只要应用与自定义类型

new开辟的空间不需要去判断是否开辟成功，对于自定义类型，new还会使用构造函数初始化，没传参数会调用默认构造函数

6.png

class A
{
public:
  A(int a )
    : _a(a)
  {
    cout << "A():" << this << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A():" << this << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  A* p2 = new A;
  return 0;
}

7.png

没有默认构造就会报错，这个在之前博客里面有提到过 ，但可以传参

8.png

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
  A(int a )
    : _a(a)
  {
    cout << "A():" << this << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A():" << this << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  A* p2 = new A(100);
  delete p2;
  return 0;
}

9.png


delete会调用析构函数 ，而free则不会调用

结论：new/delete是为自定义类型准备的，不仅在堆上申请出来，还会调用构造和析构函数进行初始化和清理

创建十个自定义类型

10.png

先初始化的后析构

也可以在new的时候给赋值

11.png

12.png

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
  A(int a=0)
    : _a(a)
  {
    cout << "A():" << this << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A():" << this << endl;
  }
private:
  int _a;
};
int main()
{
  A* p2 = new A[10]{ {1},{2},{1},{1},{1},{1},{1},{1}, {1}, {1}};
  delete[] p2;
  return 0;
}

13.png14.png

这几种方式都可以

malloc开辟失败返回0(NULL),new失败抛异常

15.png

抛异常

16.png

new失败不需要检查返回值，它失败了是抛异常


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。


17.png

new的反汇编里面可以看到这俩句指令

这里的operator new不是重载，是全局函数，是用来帮助new开空间的，在堆上开辟

以下是operator new的底层实现

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);
}

里面可以看到malloc函数，也就是说new开空间最终还是调用了malloc函数，并且在里面加入了失败后抛异常，这里封装malloc是为了符合C++new失败的机制18.png

这个operator new我们可以自己用

19.png

实际当作，我们不要去用operator new和operator delete，最好用封装好的new和delete

operator delete和operator new一样，operator delete是调用了free

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)

重载operator new与operator delete

注意：一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间时候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。


如果我们重载了自己专属的operator new和operator delete，则使用时会调用我们自己重载的，如果我们不写重载的operator new和operator delete，则会调用库里面的

// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个
字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,
  size_t lineNo)
{
  void* p = ::operator new(size);
  cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"
    << size << endl;
  return p;
}
// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName,
  size_t lineNo)
{
  cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p <<
    endl;
  ::operator delete(p);
}
// 上述调用显然太麻烦了，可以使用宏对调用进行简化
// 只有在Debug方式下，才调用用户重载的 operator new 和 operator delete
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif

如果多次用new，我们想检测内存有没有泄漏，这时候我们就可以自己写一个20.png

 class A
{
public:
  A(int a=0)
    : _a(a)
  {
    cout << "A():" << this << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A():" << this << endl;
  }
  A(const A& d)
  {
    cout << "A(const A& d):" << this << endl;
  }
private:
  int _a;
};
// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName,
  size_t lineNo)
{
  void* p = ::operator new(size);
  cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p << "-"
    << size << endl;
  return p;
}
// 重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放
void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName,
  size_t lineNo)
{
  cout << fileName << "-" << funcName << "-" << lineNo << "-" << p <<
    endl;
  ::operator delete(p);
}
// 上述调用显然太麻烦了，可以使用宏对调用进行简化
// 只有在Debug方式下，才调用用户重载的 operator new 和 operator delete
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
#endif
int main()
{
  // 对重载的operator new 和 operator delete进行调用
  A* p1 = new A;
  A *p2 = new A;
  A* p3 = new A;
  A* p4 = new A;
  A* p5 = new A;
  A* p6 = new A;
  delete p1;
  delete p2;
  delete p3;
  delete p4;
  delete p5;
  delete p6;
  return 0;
}

我们也可以在一个内里面写一个这个类重载专属的operator new，使用new的时候就会去类里面调用这个重载的专属operator new，operator delte也是如此,如果频繁的申请内存，次数过多会造成碎片化，我们这个时候可以用内存池

struct ListNode
{
  int _val;
  ListNode* _next;
  // 内存池
  static allocator<ListNode> alloc;
  void* operator new(size_t n)
  {
    cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;
    void* obj = alloc.allocate(1);
    return obj;
  }
  void operator delete(void* ptr)
  {
    cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;
    alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
  }
  struct ListNode(int val)
    :_val(val)
    , _next(nullptr)
  {}
};
// allocator以后会讲，现在先会用即可
allocator<ListNode> ListNode::alloc;
int main()
{
  // 频繁申请ListNode. 想提高效率 -- 申请ListNode时，不去malloc，而是自己定制内存池
  ListNode* node1 = new ListNode(1);
  ListNode* node2 = new ListNode(2);
  ListNode* node3 = new ListNode(3);
  delete node1;
  //delete node2;
  delete node3;
  return 0;
}

频繁的new，想提高效率，申请listnode时，不去malloc，而是自己定制的内存池，只有ListNode去自己写的operator new调用，其它的类会去库里面调用默认的new


内存池是像内存申请一大块空间给自己使用，每次用的时候去自己的空间取，而malloc是每次都要向内存申请，会造成空间利用率不高


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。

21.png

对已分配的空间调用构造函数初始化

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：

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

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


文章标签：
C++
C语言
关键词：
C++内存
内存管理内存
内存函数
C++函数
C++内存管理
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