【hello C++】内存管理

目录

前言： 

1. C/C++内存分布

2. C语言动态内存管理方式

3. C++内存管理方式

3.1 new / delete 操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

4. operator new与operator delete函数

4.1 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)

malloc/free和new/delete的区别

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 C++🌷

前言： 

在Windows操作系统中，我们使用VS来编写C/C++代码，那编写好的代码到底是存在哪里呢？

 

其实，不论是我们编写好的代码，还是经过编译、链接、执行，生成的目标文件还是可执行

文件都是以文件的形式存在磁盘上的。

知道了整个代码文件存在哪里，那运行起来代码中的数据、指令代码存在哪里呢？

1. C/C++内存分布

在之前的学习中，我们知道C/C++程序内存大致划分为4个区域：

1.  栈：又叫堆栈--一般存储：非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。

2.  堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。

3.  数据段：--一般存储：存储全局数据和静态数据。

4.  代码段：--一般存储：可执行的代码/只读常量。

知道了上述内容，我们先来看下面的一段代码和相关问题来练练手：

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？____
2. 填空题：sizeof(num1) = ____;sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;

【答案】1. C C C A  A        A A A D A B；        2. 40 5 4 4/8 4 4/8

有问题的老铁们可以评论指出，看到我会解答！

下面这张图大家也可以看一下：

在这里顺便回顾一个知识点：

3. sizeof 和 strlen 区别？

 【答】：sizeof是一个运算符，我们通常使用它来求字节数，使用方法为：sizeof()括号里面

为想要求的字节数的内容；

strlen为一个函数，我们通常使用它来求字符串的长度。

2. C语言动态内存管理方式

在C语言中我们通常使用malloc / calloc / realloc / free的方式来完成动态内存的开辟和释放。

在之前的博客中我有具体写到它们的使用及区别，大家可以看下：

C语言中的内存管理

3. C++内存管理方式

C++是兼容C语言的，C++也可以使用malloc / free等方式来完成动态内存的开辟和释放。

C++又是对C语言的一种优化，在C语言的基础上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。

我们知道C++的数据类型分为内置类型 和 自定义类型，下面看一下它们的具体使用：

3.1 new / delete 操作内置类型

void Test()
{//动态申请一个int类型的空间int* p1 = new int;//动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* p2 = new int(10);//动态申请3个int类型的空间int* p3 = new int[3];delete p1;	//释放delete p2;delete[] p3;
}

下面看下图解：

 这里其实new和delete 与 malloc和free完成的功能差不多，都是内存的开辟和释放工作；

 但是new和delete是不是比malloc和free方便很多呢？

但这里也有非常要注意的东西：

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。

补充：

其实在C++11中支持 new[] 用{}初始化；

但在C++98中，这是不支持的。

3.2 new和delete操作自定义类型

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#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()
{// 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));cout << endl << endl;A* p2 = new A(1);free(p1);cout << endl << endl;delete p2;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p4 = new int;free(p3);delete p4;cout << endl << endl;A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;return 0;
}

new对于自定义类型自动调用它的构造；

delete对于自定义类型自动调用它的析构。 

 

 new和delete对于内置类型同malloc和free功能类似：

 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 。

在申请内置数据类型的空间时，new/delete 和 malloc/free 完成的功能类似；

4. operator new与operator delete函数

4.1 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。

注意：

operator new只是完成了开辟空间的操作，

new：开辟空间+构造函数（自定义类型）构造； 

 这个链接很重要：一定要看！！！

operator new 和 new的关系

下面的内容了解即可：

/*
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 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)

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，不用检查返回值，malloc 会返回 NULL需要检查 。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include <iostream>
using namespace std;int main()
{//malloc失败返回空,需要检查char* p1 = (char*)malloc(1024 * 1024 * 1024);if (p1 == NULL)perror("malloc");printf("%p\n", p1);//new失败抛出异常，不要检查返回值try{char* p2 = new char[1024*1024*1024];printf("%p\n", p2);}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

上述抛出及捕获异常的方法，大家需要记一下；

如果57行抛出异常，那么不用执行后续代码，直接跳到60行执行。

补充：

每个类可以去实现自己专属operator new  new这个类对象，他就会调自己实现这个operator new

// 每个类可以去实现自己专属operator new  new这个类对象，他就会调自己实现这个operator new// 实现一个类专属的operator new  -- 了解一下
struct ListNode
{int _val;ListNode* _next;// 内存池static allocator<ListNode> alloc;void* operator new(size_t n){cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;void* obj = alloc.allocate(1);return obj;}void operator delete(void* ptr){cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);}struct ListNode(int val):_val(val), _next(nullptr){}
};// allocator以后会讲，现在先会用即可
allocator<ListNode> ListNode::alloc;int main()
{// 频繁申请ListNode. 想提高效率 -- 申请ListNode时，不去malloc，而是自己定制内存池ListNode* node1 = new ListNode(1);ListNode* node2 = new ListNode(2);ListNode* node3 = new ListNode(3);delete node1;//delete node2;delete node3;A* p1 = new A;return 0;
}

operator new是一个封装好的函数，完成new的整个功能，其实内部也是通过malloc申请空间

的，不过在此基础之上，完成了对malloc申请失败后抛出异常的处理，使得new申请失败后

会抛出异常。

在使用new时，调用全局的operator new 和 类专属的operator new的区别：

调用全局的：每次调用每次向堆区申请空间，效率不高；

调用类专属的：有一个内存池，每次申请时申请内存池里面的内存空间，内存池没有了，一

下向堆区申请多个空间存在内存池里，再从内存池申请空间，效率较高；

5.2 自定义类型

1. 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；

2. 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

3. 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；

4. 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

6. 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。    

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));// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参new(p1)A; p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

总结：

对于自定义类型：

new：开辟空间+构造；

也就是说：

operator new 与 定位new 联合起来就是new的整个功能。

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：

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

坚持打卡！

😃