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C++初阶——动态内存管理

目录

1、C/C++内存区域划分

2、C动态内存管理:malloc/calloc/realloc/free

3、C++动态内存管理:new/delete

3.1 new/delete内置类型

3.2 new/delete自定义类型

4、operator new与operator delete函数

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

6、定位new表达式(placement-new) (了解)

7、malloc/free和new/delete的区别


1、C/C++内存区域划分

【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。(Linux课程如果没学到这块,现在只需要了解一下)

3. 用于程序运行时动态内存分配,堆是可以向上增长的。

4. 数据段(静态区)--存储全局数据和静态数据

5. 代码段(常量区)--可执行的代码/只读常量

下面做一道题:

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(静态区)  D.代码段(常量区)
globalVar在哪里?____
staticGlobalVar在哪里?____
staticVar在哪里?____
localVar在哪里?____
num1 在哪里?____
char2在哪里?____
* char2在哪里?___
pChar3在哪里?____
* pChar3在哪里?____
ptr1在哪里?____
* ptr1在哪里?____
答案:

CCCAA AAADAB

char2非静态局部变量在栈区  

char2是一个数组,把后面常量串拷贝过来到数组中数组在栈上,所以*char2在栈上

pChar3非静态局部变量在栈区   *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

2、C动态内存管理:malloc/calloc/realloc/free

malloc,calloc,realloc,是向堆区申请空间的,

void* malloc (size_t size);

malloc:申请成功,返回为类型为void*的指针,不会初始化,申请失败,返回NULL

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc:申请成功,返回为类型为void*的指针,空间的每个字节初始化为0,申请失败,返回NULL

calloc = malloc + 初始化为0 (memset(void * ptr, 0, size_t num ))

void* realloc (void* ptr, size_t size);

注意:size = 原来的空间大小 + 一段未使用的空间大小

realloc:对动态开辟内存大小进行调整,一般用于扩容

扩容存在两种情况

◦ 情况1:原有空间之后有足够大的空间

◦ 情况2:原有空间之后没有足够大的空间

情况1:

原有空间之后有足够大的空间,

要扩展内存就在原有空间之后直接追加空间,原来空间的数据不发生变化。

情况2:

原有空间之后没有足够大的空间

在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用并把原来的数据 拷贝过去,然后free原来的空间返回一个新的 内存地址。

realloc(NULL,size) = malloc(size)

void free (void* ptr);

free,是释放向堆区申请的空间

注意:向堆区申请的空间只能释放一次,一般释放完置为NULLNULL多次释放没有关系

3、C++动态内存管理:new/delete

C动态内存管理方式在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++通过new和delete操作符进行动态内存管理

3.1 new/delete内置类型

void Test()
{// 动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr2 = new int(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr3 = new int[10];// 动态申请10个int类型的空间并初始化为0int* ptr4 = new int[10] {0};// 动态申请10个int类型的空间// 前5个初始化为1,2,3,4,5,后5个初始化为0int* ptr5 = new int[10]{1,2,3,4,5};delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;delete[] ptr4;delete[] ptr5;
}int main()
{Test();return 0;
}

3.2 new/delete自定义类型

#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 = 1;
};
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)); // Cint* 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:

1、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

2、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[]匹配使用,不然坑的死死的

如:了解一下,A为8字节大小

前面开4个字节大小的空间,是为了存放需要调用析构函数的次数

(对于没有必要调用的析构函数,编译器可能会进行优化,不开这个空间)A的析构函数必须被调用,因为有打印字符串,

delete p3,是释放80字节大小的空间,因为不能从中间位置释放空间,所以报错(内存泄漏不报错)

4、operator new与operator delete函数

operator new 和 operator delete是 系统提供的全局函数

注意: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

/*operator new:该函数通过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,如果该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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}/*free的实现
*/#define  free(p)  _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

5、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

newmallocdeletefree基本类似

不同: new/delete申请和释放的是单个元素的空间new[]/delete[]申请的是连续空间,而且new申请空间失败时会抛异常malloc返回NULL

5.2 自定义类型

new的原理

1. 调用operator new函数申请空间

2. 在申请的空间上调用构造函数,完成对象的初始化

delete的原理

1. 在释放的对象空间上调用析构函数,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. 在申请的空间上调用N次构造函数,完成对N个对象的初始化

delete[N]的原理

1. 在释放的对象空间上调用N次析构函数,完成N个对象中资源的清理工作

2. 调用operator delete[]释放空间,在operator delete[]中实际调用operator delete释放空间

6、定位new表达式(placement-new) (了解)

定位new表达式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的定位表达式进行显示调用构造函数进行初始化

#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;
};// 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,因为没有调用构造函数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();  // 析构可以直接显示调用,显示调用构造函数要通过定位new表达式free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

7、malloc/free和new/delete的区别

malloc/freenew/delete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:

1. malloc/free函数new/delete操作符

2. malloc申请的空间不会初始化new会初始化

3. malloc申请空间时,需要手动计算空间大小 

new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需要捕获异常

6. 申请自定义类型对象的空间时,malloc/free只会开辟空间,不会调用构造函数与析构函数,

new 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

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