【C++】C/C++内存管理

简介: 【C++】C/C++内存管理

1. C/C++内存分布

我们先来看看下面这段代码:

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);
}

globalVar在哪里:数据段(静态区) staticGlobalVar在哪里:数据段(静态区)


staticVar在哪里:数据段(静态区) localVar在哪里:栈


num1在哪里:栈


全局变量和静态变量都是存在数据段(静态区)


char2在哪里: 栈 *char2在哪里:栈


pChar3在哪里: 栈 *pChar3在哪里:代码段(常量区)


ptr1在哪里:栈 *ptr1在哪里:堆

sizeof(num1) = 40

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

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

sizeof(ptr1) = 4

sizeofstrlen的区别:

说明:

  1. 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内存,做进程间通信
  3. 用于程序运行时动态内存分配,堆是向上增长的
  1. 数据段存储全局数据和静态数据
  2. 代码段–可执行的代码只读常量

2. C语言当中的动态内存管理

文章

3. C++ 内存管理方式

C语言的内存管理方式在C++当中可以继续使用,但是有些地方用起来比较麻烦,因此C++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

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[]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)
    : _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的时候,new会调用构造函数,delete会调用析构函数,而malloc和free不会

4. operator new 和operator delete 函数

new和delete使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在底层调用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,如果申请成功就直接返回。否则执行用户提供的空间不足的应对措施,如果用户提供该措施就继续执行,否则抛出异常。operator delete实际上是通过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基本相似,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空间。而且new在申请失败的时候会抛出异常,而malloc返回NULL

5.2 自定义类型

  • 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
  • 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
  • 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
  • delete T[N]
  • 在释放的对象上执行N次析构函数,完成N个对象当中资源的清理
  • 调用operator delete[]释放空间,实际在调用operator delete[]中调用operator delete来释放资源

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表达式在实际当中一般是配合内存池来使用的。因为内存池分配的内存并没有初始化,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用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;
}

7. 常见面试题

7.1 malloc/free 和 new/delete区别

它们的共同点:都是从堆上申请空间,并且需要手动释放。不同的地方:

  1. malloc/free是函数,而new/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申请空间的时候需要手动计算空间大小并传递,new只需要在后面加上空间的类型就可以了,如果是多个对象只需要[]当中指定个数就可以了
  4. malloc返回值为void*必须强转,new不需要,因为后面跟的就是空间的类型
  5. malloc申请空间失败的时候返回NULL,,因此必须判空,new不需要,new需要捕获异常
  6. 申请自定义类型的对象的时候,malloc只会开辟空间,不会调用构造函数,而new在申请空间后会调用构造函数完成对对象的初始化,delete在释放空间之前会调用析构函数完成空间当中资源的清理
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