首页 > 基础资料 博客日记
C++从入门到起飞之——内存管理(万字详解) 全方位剖析！
2024-08-17 20:00:05基础资料围观112次
🌈个人主页：秋风起，再归来~
🔥系列专栏：C++从入门到起飞
🔖克心守己，律己则安
目录
2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
4. operator new与operator delete函数（重要）
6. 定位new表达式(placement-new) （了解）
7. 总结malloc/free和new/delete的区别
1. C/C++内存分布
【说明】
1. 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。
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. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段--存储全局数据和静态数据。
5. 代码段--可执行的代码/只读常量。
我们先来看下面的一段代码和相关问题~
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？__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__
pChar3在哪里？__A__
*pChar3在哪里？__D__
ptr1在哪里？__A__
*ptr1在哪里？__B__
>1.globalVar在哪里？C staticGlobalVar在哪里？C
解析：globalVar为全局变量放在数据段(静态区)，staticGlobalVar也是全局变量放在数据段(静态区)。两者之间主要区别在：普通全局变量作用于整个代码，可被其他文件访问或修改。而被static修饰的静态全局变量只作用于当前文件，其他文件不可见。
>2.staticVar在哪里？C localVar在哪里？A
解析：被static修饰的局部变量staticVar放在静态区，普通的局部变量localVar放在栈区。两者之间主要区别在：被static修饰的局部变量的生命周期只会在程序结束后结束，而普通的局部变量的生命周期出了当前作用域就会结束。
>3.num1 在哪里？A
解析：num1也是一个局部变量，放在栈区。
>4.char2在哪里？A *char2在哪里？A
解析：char2也是一个局部变量，放在栈区，常量字符串"abcd"放在代码段(常量区)，数组开辟的空间放在栈区。在数组开辟时，常量字符串中字符会被一个一个拷贝进入数组，而数组名是首元素地址，所以*char2得到数组第一个元素，放在栈区。
>5.pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
解析：char2也是一个局部指针变量，指向一个放在代码段(常量区)的常量字符串"abcd"。所以*pChar3得到常量字符串的第一个字符，放在代码段(常量区)。
>6.ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B
解析：ptr1是一个局部指针变量，放在栈区。而其指向的内存区域是由动态内存开辟的，所以*ptr1放在堆区。
>下面是比较不好理解的一些选项的图示：
2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
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。
3.1 new/delete操作内置类型
int main()
{
//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10
int* 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类型的空间并全部初始化为0
int* ptr4 = new int[10] {0};
//动态申请10个int类型的空间并将前五个初始化，后面的默认为0
int* ptr5 = new int[10] {1,2,3,4,5};
//匹配起来使用
delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;
delete[] ptr4;
delete[] ptr5;
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[]，注意：匹配起来使用。
3.2 new和delete操作自定义类型
>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（初始化对象）和析构函数（释放资源）！
class A
{
public:
A(int a=0)
:_a(a)
{
cout << "调用构造" << endl;
}
~A()
{
cout << "调用析构" << endl;
}
private:
int _a=0;
};
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
//只会在堆上开辟空间
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
//不仅会开辟空间，还会调用对象的构造函数进行初始化
A* p2 = new A(1);
//只会释放空间
free(p1);
p1 = nullptr;
//回先调用对象的析构函数释放资源，再释放为对象开辟的空间
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* 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;
}
>p1没有初始化，而p2却初始化了！
>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。
>好啦，我们明白了new和delete的基本用法后就可以写一些比C要爽的代码了！
>还记得，我们之前在做OJ题时如果要自己创建一个链表，还要自己写一个创建节点的函数（CreatDode()）,还是非常烦的，但C++写起来就非常爽了！
struct ListNode
{
int val;
ListNode* next;
ListNode(int x=0)
:val(x)
,next(nullptr)
{}
};
int main()
{
ListNode* n1 = new ListNode(1);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(3);
ListNode* n4 = new ListNode(4);
ListNode* n5 = new ListNode(5);
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;
n4->next = n5;
delete n1;
delete n2;
delete n3;
delete n4;
delete n5;
}>如果类当中没有默认构造，那么我们在new对象的时候就要注意力！
class A
{
public:
//不是默认构造函数（必须要传参）
A(int a,int b=0)
:_a(a)
,_b(b)
{
cout << "调用构造" << endl;
}
~A()
{
cout << "调用析构" << endl;
}
private:
int _a=0;
int _b = 0;
};
int main()
{
A* p1 = new A(1);
A* p2 = new A(1,2);
A aa1(1, 1);
A aa2(2, 2);
A aa3(3, 3);
//A* p3 = new A[3];//编译报错:A类不存在默认构造函数
A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };//直接给成员
A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3)};//创建匿对象
A* p5 = new A[3]{ {1,1 },{2,2},{3,3,}};//隐式类型转换创建对象
}>C中我们判断是否动态内存开辟失败可以用assert断言，也可以用perror来提醒我们，在C++中我们用异常捕获的方式来判断是否动态内存开辟成功（这里我们只知道异常的一小部分用法就行了，具体更多的内容和原理我在后面更新的文章当中会有具体讲解的）
int main()
{
try
{
void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];//向堆申请了1G的空间
void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
void* p4 = new char[1024 * 1024 * 1024];
void* p5 = new char[1024 * 1024 * 1024];
}
catch (const exception& e)
{
cout<<e.what()<<endl;
}
return 0;
}
>好啦，我们还可以看一下再32位平台下，我这里堆的内存到底有多大：
void func()
{
int n = 0;
while (1)
{
n++;
void* p = new char[1024 * 1024];//一次向堆申请一字节的内存
cout << p << ":->" << n << endl;
}
}
int main()
{
try
{
func();
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
>我们看到结果是1897字节，1.6到1.7个G,内存中总共有4G左右(2^32)，我们再看看64位下的结果
在64位下就大的多了（22个G）！（2^64） 五六十G（虚拟内存）
4. operator new与operator delete函数（重要）
>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。
>下面的原码浅浅的看一下就行了，这里我们只要知道new和delete的底层其实就是malloc和free，不过，malloc失败是直接返回空，而new失败，C++为了用自己异常的那一套，就自己封装了operator new 这个函数，让new失败时抛出异常而不是返回空。我们可以理解为new和delete就是malloc和free的加强版！
/*
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);
}
/*
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)//free其实是一个宏函数>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
>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
我们用反汇编看一下底层也是如此：
class A
{
public:
//不是默认构造函数（必须要传参）
A(int a=0,int b=0)
:_a(a)
,_b(b)
{
cout << "调用构造" << endl;
}
~A()
{
cout << "调用析构" << endl;
}
private:
int _a=0;
int _b = 0;
};
int main()
{
A* p1 = new A;
delete p1;
return 0;
}
>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
>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
int main()
{
A* p1 = new A[3];
delete[] p1;
return 0;
}
>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
>了解了new和delete的原理后，我们下面来看一个非常有意思的问题！
class A
{
public:
private:
int _a1 = 1;
int _a2 = 1;
};
class B
{
public:
~B()
{}
private:
int _B1 = 2;
int _B2 = 2;
};
int main()
{
//运行时不崩溃
A* p1 = new A[10];
delete p1;
//运行时崩溃
/*B* p2 = new B[10];
delete p2;*/
return 0;
}
>屏蔽p1，放开p2却崩溃了，明明都是一样的搭配，为什么呢？
>原因剖析：
之前我们讲到了一个重要的点：
>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[]，注意：匹配起来使用。
>那会不会是操作符用法不匹配的原因呢？这里我直接告诉大家并不是这个原因，这里不匹配，无非就是少调用几次析构函数，可能会存在内存泄漏的问题，但编译器是不会检查到这个问题的。而且，这里举得栗子并没有向内存申请资源，就算没有调用析构函数，也不会有内存泄漏！
>真正原因：我们首先知道对象A和对象B在创建对象时都会开辟80个字节
>p1所指向的空间确实是80个字节！
>而p2竟然是84个字节！
>为什么会凭空多出来4个字节呢？
这里我就直接告诉大家，多出的4个字节使用来存放你new的对象的个数的，就比如B* p2 = new B[10];，10就被存放到那4个字节当中了。
编译器存放个数的原因就在于编译器只有读取到对象的个数，才会知道当delete[]时要调用多少次析构函数
>而我们都知道，连续开辟的空间是不可以部分释放的，必须从空间开辟的起点开始回收空间，不然编译器就会在运行时崩溃 。
>到这里，我们就已然明白了运行时崩溃的原因！
>但这里还有一个疑惑，为什么p1不会多开4个字节存放对象个数呢！原因就在于，我在写A类时没有显示写析构函数，编译器就会默认此类没有申请资源，就没有必要释放资源了。所以编译器就默默的进行了优化，不再多开那4个字节来记录对象的个数。
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
class A
{
public:
//不是默认构造函数（必须要传参）
A(int a=0,int b=0)
:_a(a)
,_b(b)
{
cout << "调用构造" << endl;
}
~A()
{
cout << "调用析构" << endl;
}
private:
int _a=0;
int _b = 0;
};
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//只开辟了空间没有初始化
new(p1)A;//手动初始化
p1->~A();//手动析构
free(p1);
//operator new的底层就是malloc，所以用法与malloc一样，不过它们的区别就是内存开辟失败时一个直接返回空，一个抛异常
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(1,2);//手动初始化,如果没有默认构造就必须要传参！
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}>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。
7. 总结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 空间中资源的清理释放
8、完结散花
好了，这期的分享到这里就结束了~
如果这篇博客对你有帮助的话，可以用你们的小手指点一个免费的赞并收藏起来哟~
如果期待博主下期内容的话，可以点点关注，避免找不到我了呢~
我们下期不见不散~~
本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系邮箱：jacktools123@163.com进行投诉反馈，一经查实，立即删除！
标签：
相关文章
最新发布
点击排行
本站推荐
