【C++】内存管理和模板基础(new、delete、类及函数模板)

简介: 【C++】内存管理和模板基础(new、delete、类及函数模板)

内存分布



从语言的角度看,数据段叫静态区,代码段叫常量区。从操作系统来看,就叫数据段和代码段。


对于栈来讲,生长方向是向下的,也就是向着内存地址减小的方向;对于堆来讲,它的生长方向是向上的,是向着内存地址增加的方向增长


说明:


  1. 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。
  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 创建共享共享内存,做进程间通信。
  3. 堆用于程序运行时动态内存分配,堆是可以上增长的。
  4. 数据段--存储全局数据和静态数据。
  5. 代码段--可执行的代码/只读常量。


下面来做几道题:







分析: num1是数组名,数组名代表整个数组,数组是在栈上的;“abcd\0”在常量区,char2会在栈上开辟数组,然后把常量区的字符串拷贝到数组中,跟num1一样;*char2是首元素a,a也是在栈上的;const修饰的不代表在常量区,不是常量,只是常变量。pchar3是栈上的指针变量,所以*pchar3指向的是字符串,在常量区;



下面几道不讲解:




C++内存管理方式

C++通过new和delete操作符进行动态内存管理。


new/delete操作内置类型



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[],注意:匹配起来使用。


new和delete操作自定义类型



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。


operator new实际就是对malloc的封装,是给底层用的。就像sizeof是在编译时作用,运行后直接变成底层指令。





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和malloc在使用上没啥区别。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。 因为c++要符合面向对象,失败要抛异常,因此用operator new来封装malloc。


new和delete的实现原理

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。


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来释放空间


下图是new在底层的原理 :



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


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



malloc/free和new/delete的区别

共同点:都是从堆上申请空间,并且需要用户手动释放。


不同点:


  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


内存泄漏

内存泄漏指一块不再使用的空间,没有释放。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失,而是应用程序分配某段内存后,因为设计错误,失去了对该段内存的控制,因而造成了内存的浪费。


模板


泛型编程

泛型编程:编写与类型无关的通用代码,是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。


函数模板

函数模板代表了一个函数家族,该函数模板与类型无关,在使用时被参数化,根据实参类型产生函数的特定类型版本。


格式:template <typename T1, typename T2,......,typename Tn>


返回值类型 函数名(参数列表){}


注意:typename是用来定义模板参数关键字,也可以使用class(切记:不能使用struct代替class)



如上图,有了模板,编译器就会根据传入的实参生成对应类型的函数。不过以后swap不需要我们自己写了,c++库里面有,我们可以直接用。


用不同类型的参数使用函数模板时,称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为:隐式实例化和显式实例化。


1. 隐式实例化:让编译器根据实参推演模板参数的实际类型



如上图,因为实参a1和d1是不同类型的,编译器推演时,无法确定T要转成什么类型,就会报错。下面是解决方法。


2. 显式实例化:在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型



模板参数的匹配原则

一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在,而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数


对于非模板函数和同名函数模板,如果其他条件都相同,在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数,那么将选择模板


模板函数不允许自动类型转换,但普通函数可以进行自动类型转换


类模板

定义格式




类模板可以让我们更方便写出两个不同数据类型的类。


类模板实例化与函数模板实例化不同,类模板实例化需要在类模板名字后跟<>,然后将实例化的类型放在<> 中即可,类模板名字不是真正的类,而实例化的结果才是真正的类。


如上图,Stack类名,Stack<int>才是类型。


注意:类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表。


如下图:



注意:类模板中的函数不能声明和定义分离到两个不同的文件。


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