【C++】第六节—内存管理

1. C/C内存分配程序运行过程中内存分区域见下现在我们必须要清楚写一个程序程序里面的变量都放在我们刚才介绍的那个区域呢见下题目面试题面试会考这样的题那可得好好学清楚了【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共享内存做进程间通信。Linux课程如果没学到这块现在只需要了解一下堆用于程序运行时动态内存分配堆是可以上增长的。数据段静态区--存储全局数据和静态数据。代码段常量区--可执行的代码/只读常量2.C语言中动态内存管理方式malloc/calloc/realloc/free【可以回顾一下C语言里面的动态内存管理【C语言】动态内存管理-CSDN博客】【面试题】malloc/calloc/realloc的区别3.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同样的new也是在堆上申请空间。3.1new/delete操作内置类型代码语言javascriptAI代码解释int main() { // 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]; int* ptr7 new int[3] {1,2,3}; int* ptr8 new int[5] {1,2,3,4}; delete ptr4; delete ptr5; delete[] ptr6; delete[] ptr7; delete[] ptr8; return 0; }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[]要匹配起来使用。我们调试看一下初始化的效果C以后就用new和delete主要的区别在于自定义类型的使用3.2 new和delete操作自定义类型但是如果对于A类使用new去申请空间但是如果没有A的默认构造又不去传参调用就会报错见下没有默认构造是不可以的所以一个类还是要有构造函数为好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。总结一下malloc/free和new/delete的区别主要还是针对自定义类型对于自定义类型会自动调用构造函数和析构函数还有用法上面会更简单 如果是new多个对象是多次调用构造函数和析构函数记得用 。代码语言javascriptAI代码解释#includestdlib.h #includeiostream using namespace std; int main() { // 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]; int* ptr7 new int[3] {1,2,3}; int* ptr8 new int[5] {1,2,3,4}; delete ptr4; delete ptr5; delete[] ptr6; delete[] ptr7; delete[] ptr8; return 0; } class A { public: A(int a 0)//构造函数 : _a(a) { cout A(): this endl; } ~A()//析构函数 { 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 //只申请空间 A* p1 (A*)malloc(sizeof(A)); //申请空间构造函数 A* p2 new A; A* p3 new A(1); //释放空间 free(p1); //析构函数释放空间这里面的析构函数是用来释放p2指向的类里面申请的空间 //释放空间指的是释放动态申请的p2指向的空间 delete p2; delete p3; // 内置类型是几乎是一样的 int* p10 (int*)malloc(sizeof(int)); // C int* p4 new int; free(p10); delete p4; A* p5 (A*)malloc(sizeof(A) * 10); //这里会10次调用构造函数对着10个对象依次初始化 A* p6 new A[10];//这里会调用默认构造,缺省值是0 //我们可以对这些对象进行初始化 //这是有名的参数 A aa1(1); A aa2(1); A* p7 new A[10]{aa1,aa2};//剩下的8个对象调用默认构造没有默认构造就会报错 //还可以使用匿名对象进行初始化 A(2); A(2); A* p8 new A[10]{A(2),A(2)}; //或者直接用隐式类型转换 A* p9 new A[10]{ 33,44 };//对于隐式类型转换必须有相应的构造函数不然不可以 free(p5); //10次调用析构函数 delete[] p6; delete[] p7; delete[] p8; delete[] p9; return 0; }在下面的场景中自定义类型用new要比C语言更方便简洁代码语言javascriptAI代码解释#includeiostream using namespace std; struct ListNode { int _val; ListNode* _next; //构造函数 ListNode(int val) :_val(val) ,_next(nullptr) {} }; int main() { //不需要像C语言那样要BuyNode这里直接new对象同时还能调用构造函数 ListNode* n1 new ListNode(1); ListNode* n2 new ListNode(2); ListNode* n3 new ListNode(3); ListNode* n4 new ListNode(4); n1-_next n2; n2-_next n3; n3-_next n4; delete n1; delete n2; delete n3; delete n4; return 0; }4. operator new与operator delete函数重要点进行讲解4.1 operator new与operator delete函数重点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operator delete不是运算符new和delete的重载是全局的库里面的一个函数代码语言javascriptAI代码解释/* operator new该函数实际通过malloc来申请空间对malloc的一个封装 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。 */ //相较于malloc是直接退出 void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) { // try to allocate size bytes void* p; //这里malloc一块空间将申请空间空间的地址给pp不为0就跳出循环了也就是申请空间成功了 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 类型异常后面会学异常是C处理错误的一种方式 static const std::bad_alloc nomem; _RAISE(nomem); } return (p); } /* operator delete: 该函数其实就是对free的封装该函数最终是通过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);//我们可以看到下面有一个宏定义_free_dbg其实就是free(p) __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。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 。5.2 自定义类型下面我们调试转到反汇编看底层的指令代码语言javascriptAI代码解释class A { public: A(int a 0)//构造函数 : _a(a) { cout A(): this endl; } ~A()//析构函数 { cout ~A(): this endl; } private: int _a; }; int main() { //new是申请空间构造函数 //调用operator new函数相较于原来的mallocC对于申请空间失败会抛出异常malloc只会返回空指针 //其实代码执行后本质上就是调用指令我们来调试看一下代码背后的指令 A* a1 new A(10); A* a2 new A; delete a1; delete a2; return 0; }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 TN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 次构造函数再进去之后还是调用operator newdelete[]的原理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调用 operator delete[] 释放空间实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间关于抛出异常我们前面讲过在VS编译器X8632位在X6464位下进程地址空间就会大很多要想达到下面的效果还要申请更大的空间堆大概有不到2G的内存空间下面我们来尝试申请很大的空间让内存申请失败。32位下进程地址空间是2^32也就是4GB64位下进程地址空间是2^64可想而知很大很大那么堆也就很大了想申请很大的空间让空间申请失败还是很难的内存申请失败程序直接就停止了我们在代码里面进行捕获异常详细内容后面会介绍我们先了解一下这个异常的机制是operator new抛出来的我们在上面的operator new函数里面也看到了如果空间申请失败会出现抛出异常的操作会直接跳到catch的地方去p5后面的代码都不会再执行new底层是调用operator new函数和构造函数。那为什么不直接使用malloc来直接开空间呢 因为malloc开空间失败是返回0/nullptr而调用operator new开空间失败是抛异常这就是封装的意义更符合当C出现错误时处理的一种方式代码语言javascriptAI代码解释void Func() { int* p1 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p1 endl; int* p2 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p2 endl; int* p3 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p3 endl; int* p4 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p4 endl; int* p5 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p5 endl; //出了Func函数对象对自动调用析构函数而且new的对象里面我们没有额外申请空间 //所以我们就不用显示delete了 } int main() { try { Func(); } catch (const exception e) { cout e.what() endl; } Func(); return 0; }还有一点见下面代码里面的解释代码语言javascriptAI代码解释void Func() { int* p1 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p1 endl; int* p2 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p2 endl; int* p3 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p3 endl; int* p4 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p4 endl; int* p5 new int[1024 * 1024 * 100]; cout p5 endl; } int main() { try { Func(); } catch (const exception e) { cout e.what() endl; } Func(); //我们可以直接使用operator new这是一个全局的库里面的函数可以直接调用 //它的返回值是void* 需要去强转一下这个函数如果申请空间失败的话会直接抛出异常不需要我们去检查p1 //operator new和new不一样的是它不去调用构造函数所以operator new相当于new两部分中的一部分对于自定义类型而言 A* p1 (A*)operator new(sizeof(A)); // 不支持 //p1-A(1); new(p1)A(10); p1-~A(); operator delete(p1); return 0; }6. 定位new表达式(placement-new) 了解定位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。代码语言javascriptAI代码解释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)); //C不支持这样显示调用构造函数 //p1-A(); A* p2 (A*)operator new(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 //可以显示调用析构函数 p1-~A(); free(p1); //这里的两句代码就相当于new A* p2 (A*)operator new(sizeof(A));//相当于new里面的开空间 new(p2)A(10);//相当于new里面的构造函数 //这里相当于delete p2-~A(); operator delete(p2); return 0; }简单了解一下内存池7. 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malloc和free是函数new和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释放