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
sizeof
和strlen
的区别:
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内存,做进程间通信
- 堆用于程序运行时动态内存分配,堆是向上增长的
- 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
2. C语言当中的动态内存管理
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:
- malloc/free是函数,而new/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
- 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
- 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
- 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