C++内存管理

1. c的内存管理例题

下面这道例题用于检测c的内存管理的学习程度，又或者说是学到这里c究竟忘了多少…

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？__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？____   *char2在哪里？___pChar3在哪里？____      *pChar3在哪里？____ptr1在哪里？____        *ptr1在哪里？____- 填空题：sizeof(num1) = ____;  sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;*/

• globalvar: 是全局变量 处于静态区
• staticGlobalvar :是全局静态变量 ，处于静态区
• staticvar : 是局部静态变量 ，处于静态区
• localvar: 是局部变量 ，处于 栈
• num1 : 是一个局部的数组，处于栈

• char2 是一个字符数组 ，处于栈
• *char2 ：char2是一个数组名，由于既不单独放在sizeof内部，也没有取地址，数组名作为首元素地址，*char2是第一个元素，而整个数组处于栈中，所以 *char2处于栈
• pchar3: 是一个由const修饰的字符类型指针，指针指向的内容不能改变， 说明"abcd"是一个常量字符串，内容不能被修改，处于栈
• *pchar3 :由于"abcd"是一个常量字符串，pchar3指向常量字符串，*pchar3 处于常量区
• ptr1 :是一个指向堆开辟空间的指针，处于栈
• *ptr :是为堆开辟的空间 ，处于堆
• sizeof(num1): 单独当在sizeof内部，数组名代表整个数组，sizeof(num1)=40
• - sizeof(char2):单独当在sizeof内部，数组名代表整个数组，abcd\0,sizeof(char2)=5
• - sizeof(pChar3):pChar3是一个指针，所以sizeof(pChar3)=4/8
• strlen(pChar3):pChar3代表首元素地址，strlen为从给予的地址开始 到’\0’结束，strlen(pChar3)=4
• - sizeof(ptr1):ptr1是一个指针 ，sizeof（ptr1)=4/8

2.c++管理方式

1.c++的内置类型

1.申请一个空间并初始化

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//int*ptr1=new int;//申请1个int的空间int* ptr = new int(10);//申请10个int的空间并初始化为10delete ptr;//释放单个空间return 0;
}

2.申请连续的空间并初始化

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{//int* ptr = new int(10);//int* ptr1 = new int[10];//申请10个int的空间int* ptr = new int[10] {1, 2, 3, 4};//申请10个int的空间并初始化delete []ptr;//释放连续空间return 0;
}

这里相当于部分初始化，只初始化了前4个空间，其他空间默认为0

3.总结

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[]

2.c++的自定义类型

#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;
};int main()
{A* p = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);free(p);A* p1 = new A[2];delete[]p1;return 0;
}

• 申请2个A类型的空间，调用2次构造函数释放空间，并调用2次析构函数
• 虽然写入了malloc在堆开辟10个A类型空间，free释放空间，但是没有调用构造和析构函数

2.总结

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。

3.operator new与operator delete函数

• operator new与operator delete函数是库里面提供的两个全局函数，不是运算符重载

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，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。

#include <iostream>
using namespace std;
#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()
{//申请空间 operator new  封装 malloc//在用operator delete p1指向空间A* p1 = new A;delete p1;//申请空间 operator new  封装 malloc//在用operator delete []p2指向空间A* p2 = new A[10];delete []p2;return 0;
}

\

4.new和delete的实现原理

1.内置类型

• 对于是内置类型，malloc/free与new/delete功能基本一致，但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

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));//new失败抛异常int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));if (p2 == nullptr)//malloc失败返回空{perror("malloc fail");}return 0;
}

• new机制与malloc也不同，new申请空间失败会抛异常，而malloc失败返回nullptr

2.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;
};int main()
{A* p1 = new A;//先创建空间，在调用构造函数，delete p1;//delete先调用析构函数，在释放空间//-----------------------------------A* p2 = new A[10];//先创建空间，在调用构造函数10次delete[]p2;//delete先调用析构函数10次，在释放空间return 0;
}

• new先申请一个A的空间，再调用构造函数，delete先调用析构函数，再释放空间
• new先申请10个A类型的空间，再调用构造函数10次，delete先调用析构函数10次，再释放空间

内存泄露问题&&delete先析构的原因

class stack
{
public:stack()//构造{cout << "stack()" << endl;_a = new int[4];_top = 0;_capacity = 4;}~stack()//析构{cout << "~stack()" << endl;delete[] _a;    _top = _capacity = 0;}
private:int* _a;int _top;int _capacity;
};
int main()
{stack p;stack*p1 = new stack;delete p1;return 0;
}

• 类的实例化对象生成p，在栈上，调用构造函数，在堆上开辟了4个stack类型的数组
• p1是一个指针，在栈上，指向在堆上申请的一个stack， 再调用构造函数，_a=new
  stack[4]，_a再次指向在堆上申请的4个stack类型的数组，
  所以必须先调用析构函数，在释放空间

若将delete p1改为 free(p1)，会少调用析构函数，直接释放stack空间
导致无法释放堆上申请的4个stack类型的数组，从而导致内存泄露

编译器实现机制问题

#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* p = new A[10];//delete p;//错误//free(p);//错误delete []p;//正确return 0;
}

正常来说,A*p=new A[10]，我们知道会调用10次构造函数，但是delete [] p是怎么知道要调用10次析构函数的呢？

• 自定义类型A的大小为4个字节，申请10个A类型的数组，会开辟40个字节的空间，但是编译器会多开辟4个字节，用于存储个数 10，个数10是给delete时候用的
• free ( p ) / delete p 时，释放的位置不对，所以会报错
• delete[]，就从当前指针p指向位置的地址往前减去4个字节，取到这个值（例如10），通过这个值就知道调用多少次析构函数

• 最终指针指向释放位置，从释放位置开始释放空间

5.定位new

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p = (A*)malloc(sizeof(A));//开好一块空间if (p == nullptr){perror("malloc fail");}//定位newnew(p)A(1);//将p对象中的_a初始化为1p->~A();free(p);return 0;
}

• 对一块已有的空间进行初始化

定位new的使用场景

• 操作系统的堆因为给所有的地方提供，所以会慢一些

• 以前使用malloc/new申请内存，都是去操作系统的堆上申请的，直接申请

• 为了提高效率，申请内存去内存池中寻找，而内存池中内存也是堆上的，
  如果内存池上有就直接返回，如果没有就会去堆上找，比如需要4个字节，内存池会申请大块的内存，储备到内存池中，下一次来申请内存，就能在内存池中找到

• 当在内存池中要的内存，而内存池要的内存没有初始化，所以需要定位new

6.malloc/free与new/delete的区别

1.共同点

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放

2.不同点

用法角度

• 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只需其后跟上空间的类型即可，如果是多个对象时，[]指定对象个数即可
• 4.malloc返回值为void*，在使用必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间类型

底层原理角度

• malloc申请空间失败时，返回的是NULL,因此使用时必须判空，new失败会抛异常
• 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造和析构函数，而new申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间会调用析构函数完成空间中的资源的清理