C/C++内存管理&模板初阶
内存管理和模板初阶
- 1 内存管理
-
- 1.1 C/C++ 的内存分布
- 1.2 C 中动态内存管理方式
- 1.3 C++ 中动态内存管理方式
-
- 1.3.1 new/delete操作内置类型
- 1.3.2 new/delete操作自定义类型
- 1.3.3 operator new 与 operaror delete 函数
- 1.3.4 new 和 delete 的实现原理
- 1.4 malloc/free 和 new/delete的区别
- 2 模板初阶
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- 2.1 泛型编程
- 2.1 函数模板
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- 2.1.1 概念
- 2.1.2 格式
- 2.1.3 原理
- 2.1.4 实例化
- 2.1.5 匹配规则
- 2.2 类模板
-
- 2.2.1 定义格式
- 2.2.2 实例化
1 内存管理
1.1 C/C++ 的内存分布
- 栈又叫堆栈，非静态局部局部变量，函数参数和返回值，栈向下增长。
- 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。 - 堆用于程序运行是动态内存的分配，堆向上增长。
- 数据段：存储全局数据和静态数据
- 代码段：可执行代码和只读常量
1.2 C 中动态内存管理方式
- malloc
- free
- calloc
- realloc
1.3 C++ 中动态内存管理方式
C的内存管理方式可以在C++中继续使用，但是有些地方就不能满足需求，因此C++提出了自己的内存管理方式：通过new 和 delete操作符来进行动态内存管理
1.3.1 new/delete操作内置类型
// 申请
//动态申请一个int类型的空间
int* ptr0 = new int;
//动态申请一个int类型的空间,并初始化为10
int* ptr1 = new int(10);
//动态申请12个int类型的空间
int* ptr2 = new int[12];
// 释放
delete ptr0;
delete ptr1;
delete[] ptr2;
注意：申请和释放单个元素的空间，使用new/delete操作符，申请和释放连续的空间比如对象数组，使用new[N]和delete[]
1.3.2 new/delete操作自定义类型
class A{
public:
A(int data = 10)
:_data(data)
{
cout << "A(int data = 10)" << endl;
}
~A(){
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _data;
};
void Test1(){
//申请1个A类型的空间
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
free(p1);
//申请1个A类型的空间
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A)* 10);
free(p2);
}
void Test2(){
//申请1个A类型的空间
A* p3 = new A;
//A* p4 = new A();
delete p3;
//申请10个A类型的空间
A* p4 = new A[10];
delete[] p4;
}
int main()
{
Test2();
return 0;
}
在申请自定义类型的空间的时候，new 会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc 和 free不会。
1.3.3 operator new 与 operaror 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在底层调用operator delete来释放空间
/*
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)
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 最终是在通过free来释放空间的。
1.3.4 new 和 delete 的实现原理
对于内置类型
- 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。
对于自定义类型 - 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
我们可以看下汇编代码探究下底层原理
#include 
- 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 T[N]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
- delete[]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
总结一下!
new 等价于 operator new + 构造函数 而 operator new 等价于 malloc + malloc 失败抛异常
delete 等价于 析构函数 + operator delete 而 operator delete 等价于 free
1.4 malloc/free 和 new/delete的区别
相同点
- 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放
不同点
- 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 会初始化
- 3、malloc 申请空间的时候，需要手动计算空间大小并传递，new 只需要在其后跟上空间的类型即可
- 4、malloc 的返回值为 void* ，在使用时候必须强转，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、申请自定义对象时候，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数和析构函数，而new在申请空间后悔会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
2 模板初阶
2.1 泛型编程
如何实现一个通用的交换函数呢？
void Swap(int& left, int& right) {
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right) {
double temp = left;
left = right;
right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right) {
char temp = left;
left = right;
right = temp;
}
使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：
- 重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数
- 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错
那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？
如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同材料的铸件
(生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。
泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。
2.1 函数模板
2.1.1 概念
函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定
类型版本。
2.1.2 格式
template
返回值类型 函数名(参数列表){}
template<typename T>
void Swap( T& left, T& right) {
T temp = left;
left = right;
right = temp; }
注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)
2.1.3 原理
那么如何解决上面的问题呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生
产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么，重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给你编译器。
在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供
调用。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然
后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此
2.1.4 实例化
用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例
化。
1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right) {
return left + right;
}
int main()
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
Add(a1, a2);
Add(d1, d2);
/*
该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型
通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T，
编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅
Add(a1, d1);
*/
// 此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化
Add(a1, (int)d1);
return 0;
}
2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right) {
return left + right;
}
int main(void) {
int a = 10;
double b = 20.0;
// 显式实例化
Add<int>(a, b);
return 0;
}
如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。
2.1.5 匹配规则
1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函
数
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right) {
return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T> T Add(T left, T right) {
return left + right;
}
void Test()
{
Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}
2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模
板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right) {
return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right) {
return left + right;
}
void Test()
{
Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函 数
}
3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换
2.2 类模板
2.2.1 定义格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};
#include 2.2.2 实例化
类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>
中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。
// Vector类名，Vector才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;