【C++学习】C&C++内存管理

目录

一、C&C++内存管理

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

三、C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作符自定义类型

四、operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

五、new和delete的实现原理

5.1 内置类型

5.2 自定义类型

六、定位new表达式(placement-new)

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一、C&C++内存管理

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？ ____           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 ) = ____

3. sizeof 和 strlen 区别？

【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。
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。

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/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 );
}

malloc的实现原理：Glibc中malloc实现原理

三、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

void Test()
{
     // 动态申请一个int类型的空间
     int* ptr4 = new int;
  
     // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
     int* ptr5 = new int(10);
  
     // 动态申请10个int类型的空间
     int* ptr6 = new int[3];
     delete ptr4;
     delete ptr5;
     delete[] ptr6;
}

 

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：需要匹配起来使用。

3.2 new和delete操作符自定义类型

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。

四、operator new与operator delete函数

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 。

五、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。

• 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。

• 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。

六、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));
    new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
    p1->~A();
    free(p1);
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    return 0;
}