深入理解C&C++内存管理
C&C++内存管理
目录
- C&C++内存管理
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- 1.C/C++内存分布
- 2.C语言中动态内存管理方式：malloc/realloc/calloc/free
-
- 2.1malloc/callic/realloc的区别
- 2.2 malloc的实现原理
- 3.C++内存管理方式
-
- 3.1new/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（重要点进行讲解）
-
- 4.1 operator new与operator delete函数（重点）
- 5. new和delete的实现原理
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- 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
- 8.内存池
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- 8.1为什么要使用内存池
- 8.2内存池原理
- 总结
1.C/C++内存分布
我们先来看一下下面的代码，分析一下对于每个变量的存储位置：
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__
PS：我们要清楚指针变量的大小和指针变量所指向空间的大小的区别，指针变量的大小只和操作系统有关系，32位操作系统默认是4个字节，而64位操作系统默认是8个字节，和这个指针变量是什么数据类型没有任何关系，但是指针所指向空间的大小就和他的数据类型有关。
2. 填空题：
sizeof(num1) = __40__;
sizeof(char2) = __5__; strlen(char2) = _4___;
sizeof(pChar3) = __4/8__; strlen(pChar3) = _4___;
sizeof(ptr1) = __4/8__;
3. sizeof 和 strlen 区别？
首先，sizeof是C语言中的一个单目运算符，用来计算数据类型所占空间的大小，单位为字节；而strlen是一个函数，用来计算字符串长度。
其次，sizeof计算所占空间大小时包括字符串末尾默认添加的/0,比如sizeof(char2)，数组中直观看上去存储了4个元素，但是这是字符串末尾会默认加上/0，所以实际上是5个元素，数组每个元素的类型都是char类型的，占一个字节，所以sizeof计算下来数组所占空间的大小是5个字节，然后我们来看看strlen，strlen和sizeof这个单目运算符不同，strlen是一个字符串函数，专门用来计算字符串的长度，遇到/0就停止并且/0不会计入字符串的长度，所以strlen(char2)的大小是4.
【说明】
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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。
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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。
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堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
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数据段–存储全局数据和静态数据。
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代码段–可执行的代码/只读常量
2.C语言中动态内存管理方式：malloc/realloc/calloc/free
void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3 );
}
2.1malloc/callic/realloc的区别
（1）malloc函数
其原型void *malloc(unsigned int num_bytes)；num_byte为要申请的空间大小，需要我们手动的去计算，如int *p = (int )malloc(20sizeof(int)),如果编译器默认int为4字节存储的话，那么计算结果是80Byte，一次申请一个80Byte的连续空间，并将空间基地址强制转换为int类型，赋值给指针p,此时申请的内存值是不确定的。
（2）calloc函数
其原型void *calloc(size_t n, size_t size)；其比malloc函数多一个参数，并不需要人为的计算空间的大小，比如如果他要申请20个int类型空间，会int *p = (int *)calloc(20, sizeof(int)）,这样就省去了人为空间计算的麻烦。但这并不是他们之间最重要的区别，malloc申请后空间的值是随机的，并没有进行初始化，而calloc却在申请后，对空间逐一进行初始化，并设置值为0;
那么这里就有一个问题，既然calloc开辟空间还会默认将空间初始化置为0，那么我们为什么还要学习malloc呢？
其实对于编程来说，很多函数都有两面性，calloc函数由于给每一个空间都要初始化值，那必然效率较malloc要低，并且现实世界，很多情况的空间申请是不需要初始值的，这也就是为什么许多初学者更多的接触malloc函数的原因。
2.2 malloc的实现原理
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操作符和delete操作符来进行动态内存管理。
3.1new/delete操作内置类型
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
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
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));
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)); // 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;
}
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。
我们来看一下下面的代码：
class Stack
{
public:
Stack()
{
cout << "Stack()" << endl;
_a = new int[4];
_top = 0;
_capacity = 4;
}
~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
delete[] _a;
_top = _capacity = 0;
}
private:
int* _a;
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
Stack st;
Stack* pst=new Stack;
delete pst;
return o;
}
我们通过上图可以清楚的看出来，我们要先调用析构函数将堆中所开辟空间的数据全部清理掉，然后在通过delete操作符释放pst。
所以他有两步，第一步调用析构函数，第二步利用delete操作符释放，所以这种情况就不能使用free，因为不会调用析构函数，会造成内存泄漏。
我们最后看一个特殊情况：使用free和delete都报错，只能使用delete [ ]释放的情况
4. operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）
4.1 operator new与operator delete函数（重点）
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。
/*
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 最终是通过free来释放空间的。
我们来看一下下面的易懂代码：
int main()
{
//失败了抛异常
int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int*));
// 失败返回nullptr
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int*));
if (p2 == nullptr)
{
perror("malloc fail");
}
//申请空间 operator new -> 封装malloc
//调用构造函数
A* p5 = new A;
//先调用析构函数
//再operator delete p5指向的空间
operator delete -> free
delete p5;
//申请空间 operator new[] ->operator new-> 封装malloc
调用10次构造函数
A* p6 = new A[10];
//先调用10次析构函数
//再operator delete[] p6指向的空间
delete[] p6;
int* p7 = new int[10];
free(p7); // 正常释放
A* p8 = new A;
free(p8); // 少调用的析构函数
delete p8;
Stack st;
Stack* pst = new Stack;
delete pst;
free(pst); // 少调用了析构函数 -- 有内存泄漏
//结论：new/malloc系列 有底层实现机制有关联交叉。不匹配使用可能有问题，可能没问题，建议大家一定匹配使用
A* p9 = new A[10];
free(p9);
delete p9;
delete[] p9;
return 0;
}
总结：
new操作是调用operator new实现(这里的operator并不是运算符重载)，说到本质operator new就是利用C++封装性的封装malloc，所以new最底层就是利用malloc实现的，只不过new在调用operator之后会继续调用构造函数初始化，而delete是先调用析构函数然后调用operator delete。
operator new[]和operator new的区别就在于方括号里面的内容，这个内容是对象的个数，operator new先开辟空间，然后只调用一次构造函数，但是如果是operator[x]，那么就开辟空间之后调用x次构造函数，operator delete和operator delete[]同理。
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
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
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的构造函数，里面有一个缺省参数
: _a(a) //初始化列表
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()//析构函数
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A aa;
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//malloc只申请开辟内存空间，不对空间内容初始化，所以这里的p1指针指向的空间并没有初始化
// 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
if (p1 == nullptr)
{
perror("malloc fail");
}
//但是如果我们想对一块已经开辟好(存在)的空间进行初始化，就得用到定位new；
// 对一块已有的空间初始化 -- 定位new
//new(p1)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(1);
A* p2 = new A;
p1->~A();
free(p1);
delete p2;
A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p3)A(10);
p2->~A();
operator delete(p3);
return 0;
}
return 0;
}
ps：可能有的人会问既然malloc函数开辟空间之后还可以利用定位new为所开辟的空间进行初始化，那么new函数开辟空间之后能否在进行定位new操作呢？
答案是绝不可以，因为我们首先要明确，初始化只能进行一次，new操作符在开辟空间之后就会自动调用构造函数对所开辟的空间进行初始化，所以不可以再次利用定位new初始化。在这里在复习一下之前的知识，如果程序员自己显示的写类的构造函数就使用自己写的构造函数，如果没有自己定义那么就调用编译器自动生成的类的默认构造函数。
7.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：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
- 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
- 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
- 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
- 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
8.内存池
8.1为什么要使用内存池
C++程序默认的内存管理（new，delete，malloc，free）会频繁地在堆上分配和释放内存，导致性能的损失，产生大量的内存碎片，降低内存的利用率。默认的内存管理因为被设计的比较通用，所以在性能上并不能做到极致。
因此，很多时候需要根据业务需求设计专用内存管理器，便于针对特定数据结构和使用场合的内存管理，比如：内存池。
8.2内存池原理
内存池的思想是，在真正使用内存之前，预先申请分配一定数量、大小预设的内存块留作备用。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够再继续申请新的内存，当内存释放后就回归到内存块留作后续的复用，使得内存使用效率得到提升，一般也不会产生不可控制的内存碎片。
总结
本篇博客涉及C&C++的内存管理，涉及malloc，calloc等C语言动态内存开辟内容的复习以及C++新增的new和delete操作符的深入分析，浅谈了内存池和堆之间的关系，希望对大家有帮助~