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【C++】C/C++ 内存管理 —— new和delete底层实现原理

简介: new和delete
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@toc

1. C/C++内存分布

C/C++进程虚拟地址划分 ——

<img src=" title="">

  • [ ] 又叫堆栈,函数调用会建立栈桢,存储局部变量/形参/返回值等等,栈是向下增长的(高地址向低地址使用)。
  • [ ] 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。(Linux详谈)
  • [ ] 用于程序运行时动态内存分配,堆是向上增长的。
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 D.代码段
 globalVar在哪里?__C__ staticGlobalVar在哪里?__C__
 staticVar在哪里?__C__ localVar在哪里?__A__
 num1 在哪里?__A__
 
 char2在哪里?__A__ *char2在哪里?__ A(注意)__
 pChar3在哪里?__A__ *pChar3在哪里?__D__
 ptr1在哪里?__A__ *ptr1在哪里?__B__
     
2. 填空题:
 sizeof(num1) = __40byte__;
 sizeof(char2) = __5byte__; strlen(char2) = __4byte__;
 sizeof(pChar3) = __4byte__; strlen(pChar3) = __4byte__;
 sizeof(ptr1) = __4byte__;

小解析:

<img src=" title="">

2. C/C++动态内存管理方式对比

C语言内存管理 ——

关于malloc/realloc/calloc的区别,请自行复习动态内存函数@动态内存管理---malloc +free + calloc + realloc

时间久了,calloc我好像从那篇博文写完之后就没用过:sweat:就忘了哈哈,

calloc功能:为大小为sizenum个元素开辟一块空间,并将每一个字节都初始化为0,相当于malloc + memset

void* calloc (size_t num, size_t size);

事实上,C语言的动态内存管理有一些麻烦之处,C++做了一些改进。

2.1 内置类型

:heart: 对于内置类型,malloc/free 和 new/delete没有本质区别,只有用法上的区别。malloc/realloc/calloc/free库函数,而new/delete是操作符。C++简洁些

#include<stdlib.h>

int main()
{
    // 动态申请int 和 5个int的数组
    // 1.C
    int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 5);
    
    // 2.C++
    int* p3 = new int;
    int* p4 = new int[5];

    // 释放动态申请的空间
    // 1.C
    free(p1);
    free(p2);

    // 2.C++
    delete p3;
    delete[] p4;

    p1 = nullptr;
    p2 = nullptr;
    p3 = nullptr;
    p4 = nullptr;

    return 0;
} 

注意:一定要匹配使用,否则可能崩溃,就算没崩溃也是有问题的。

malloc <--> free
new    <--> delete
new [] <--> delete[]

:heart: 并且new可以对申请的空间初始化 ——

    // 1.动态申清int空间,并这段空间初始化为5
    int* p3 = new int(5);

C++98不支持初始化new的数组,但C++11可以大括号初始化,和普通数组一样。

    // 2.动态申请5个int的空间
    int* p4 = new int[5];
    int* p4 = new int[5]{1,2};

<img src=" title="">

2.2 自定义类型

newdelete出现的意义之一:我们定义的局部/全局对象,都有调构造函数和析构函数。然而对于动态开辟对象也希望能处理初始化和清理的问题,然而C语言中的mallocfree不会做这件事,于是有了newdelete

:heart: 在动态申请自定义类型的空间时,new会调用构造函数初始化对象,delete会先调用析构函数清理,而malloc和free不会。

调试初步观察 —— 动态申请单个A对象 5个A对象数组

#include<iostream>
using namespace std;

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

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

int main()
{
    // 动态申请单个A对象 和 5个A对象数组
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A)* 5);
    
    A* p3 = new A;
    A* p4 = new A[5];

    free(p1);
    free(p2);
    
    // delete 先调用内置类型析构函数+释放空间给堆上
    delete p3;
    delete[] p4;

    p1 = nullptr;
    p2 = nullptr;
    p3 = nullptr;
    p4 = nullptr;

    return 0;
}

可以看到,newdelete确实会调用构造函数和析构函数。

<img src=" title="">

:heart: 以Stack这个类为例,深入理解这个过程

  • [ ] new会在堆上动态申请对象空间 + 调用构造函数初始化对象
  • [ ] delete会先调用析构函数(清理对象中的资源,至于要不要清理怎样清理,取决于你) + 再把空间还给堆
#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{
public:
    Stack(int capacity = 4)
        :_top(0)
        , _capacity(capacity)
    {
        _a = new int[_capacity];
    }

    ~Stack()
    {
        delete[] _a;
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    int* _a;
    int _top;
    int _capacity;
};
  1. new会在堆上动态申请对象空间 + 调用构造函数初始化对象

<img src=" title="">

  1. delete会先调用析构函数(清理对象中的资源) + 再把空间还给堆

    <img src=" title="">

:innocent: 小总结

  • [ ] 对于内置类型的空间申请和释放,仅仅是用法上的差别
  • [ ] 但是对于自定义类型new动态申请的对象,申请空间 + 调用构造函数初始化;delete释放对象时调用析构函数清理对象中资源 + 释放空间。

:heart: 从此以后,在C++中建议使用 new + delete.

3. new和delete的底层实现

3.1 operator new 和 operator delete函数(重点)

newdelete出现的意义之二:对于面向过程的语言,处理错误的方式是返回值/错误码;面向对象的语言,处理错误的方式一般是抛异常,C++也要求抛异常。new动态申请空间失败了并不会像函数一样返回空,而是要求抛异常;deletefree*一般不会失败,若失败了一般是释放空间存在越界或者释放的指针位置不对。它的底层是如何实现的?

转到反汇编可以看到,new实际上调用了两个函数,operator new 和构造函数。

<img src=" title="">

实际上,operator newoperator 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。

<img src=" title="">

:heart: new:其中operator new就是对malloc的封装,使其能在返回0时抛出异常,这才符合C++的机制

/*
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);
}

关于异常,后续详谈。

:heart: deleteoperator delete可以看做是为了与operator new的对应,最终调用了free,并增加一些检查机制。

/*
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)

以上源码,无需完全看懂。

:heart: 总结 ——

  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。

  2. 自定义类型

    :black_heart: new的原理

    • 调用operator new函数申请对象空间
    • 调用构造函数,完成对象的构造

    :black_heart: delete的原理

    • 调用析构函数,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

    :black_heart: new 类型[]的原理

    • 调用operator new[]函数,实际在operator new[]中调用operator new函数完成N个对象空间的申请,下面是new2.cpp中源码
    • 调用N次构造函数
    void *__CRTDECL operator new(size_t) /*_THROW1(std::bad_alloc)*/;
    
    void * operator new[]( size_t cb )
    {
        void *res = operator new(cb);
    
        RTCCALLBACK(_RTC_Allocate_hook, (res, cb, 0));
    
        return res;
    }

    :black_heart: delete[] 的原理

    • 调用N次析构函数,完成N个对象中资源的清理
    • 调用operator delete[]释放空间,实际在operator delete[]中调用operator delete来释放N个对象空间

3.2 operator new 和 operator delete的类专属重载(了解)

以带头双向循环链表为例,插入删除节点时,不断地向堆申请/释放内存效率太低。我们可以向内存池申请内存,从此向内存池要空间。(关于STL中的空间配置器后序详谈)

于是我们可以在ListNode这个类中,重载专属的operator new函数,这样就不会再去调用全局的了。

#include<iostream>
using namespace std;

// 定义ListNode专属的operator new
struct ListNode
{
    ListNode* _next;
    ListNode* _prev;
    int _data;

    ListNode(int val)
        :_next(nullptr)
        , _prev(nullptr)
        , _data(val)
    {

    }
    // 重载专属的operator new函数
    void* operator new(size_t n)
    {
        void* p = nullptr;
        p = allocator<ListNode>().allocate(1); //  STL中内存池--空间配置器
        cout << "memory pool allocate ListNode" << endl;
        return p;
    }

    void operator delete(void* p)
    {
        allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
        cout << "memory pool deallocate ListNode" << endl;
    }
};

// 带头双向循环链表
class List
{
public:
    List()
    {
        _head = new ListNode(-1);
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
    }

    void PushBack(int val)
    {
        ListNode* newnode = new ListNode(val);
        ListNode* tail = _head->_prev;

        tail->_next = newnode;
        newnode->_prev = tail;
        newnode->_next = _head;
        _head->_prev = newnode;
    }

    ~List()
    {
        ListNode* cur = _head->_next;
        while (cur != _head)
        {
            ListNode* next = cur->_next;
            delete cur;
            cur = next;
        }

        delete _head;
        _head = nullptr;
    }

private:
    ListNode* _head;
};

int main()
{
    List l;
    l.PushBack(1);
    l.PushBack(2);
    l.PushBack(3);
    l.PushBack(4);
    l.PushBack(5);

    return 0;
}

4. 定位new表达式(了解)

:yellow_heart: 对已有空间调用构造函数初始化一个对象。

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的定位表达式进行显式调构造函数进行初始化。构造函数不支持显式调用,都是在定义或者new的时候自动调用(析构函数可以显式调用,这个你写代码时候自动补齐都能看出来)

:yellow_heart: 使用格式

new(place_adress) type 或者
new(place_adress) type(initializer-list)
  • [ ] place_adress: 必须是一个指针
  • [ ] initializer-list:是类型的初始化列表

:heart: 如下代码:在没使用定位new之前,p现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间,不是一个对象,因为没有执行构造函数。

#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* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    new(p1)A;

    return 0;
}

:yellow_heart: 说明:

    A* p2 = new A;
    delete p2;

等价于 ——

    A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));//注:operator new和malloc用法一致
    new(p3) A;

    p3->~A();
    operator delete(p3);

5. 面试题

5.1 malloc/free 和 new/delete的区别

【面试题】malloc/free 和 new/delete的区别

  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
  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:heart:

5.2 内存泄漏

动态申请的内存,不使用了,又不主动释放,就存在内存泄漏。

5.2.1 内存泄漏的危害

  1. 出现内存泄漏的进程正常结束,进程结束时这些内存会还给系统,不会有什么大伤害。
  2. 出现内存泄漏的进程非正常结束,比如僵尸进程(Linux详谈)。危害很大,系统会越来越慢,甚至卡死宕机。
  3. 需要长期运行的程序出现内存泄漏。危害很大,系统会越来越慢,甚至卡死宕机。

5.2.2 如何避免内存泄漏

  1. 养成良好的编码规范,申请的内存空间记着匹配的去释放。

    ps:这个是理想状态。但是如果碰上异常时,就算注意释放了,还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。

    void MemoryLeaks()
     {
         // 1.内存申请了忘记释放
         int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
         int* p2 = new int;
    
         // 2.异常安全问题
         int* p3 = new int[10];
    
         Func(); // 这里Func函数抛异常跳到catch,导致delete[]  p3未执行,p3没被释放.
    
         delete[] p3;
     }
  2. 事前预防型:如智能指针等。(后续详谈)
  3. 事后查错型:如泄漏检测工具。

5.3 如何一次在堆上申请4G的空间

32位平台下,堆大小也就在2G左右,很难一次开出来。可以改成x64平台。

<img src=" title="">

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    void* p = new char[0xfffffffful];
    cout << "new:" << p << endl;
    return 0;
}

持续更新~

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