C++入门篇(6)之内存处理

前言

兜兜转转,我们终于结束了C++中非常重要的一环**(类和对象),现在来到了C++中的内存管理章节.在此篇文章中,博主将会介绍内存的分布,不同于c的新型申请堆区空间方法,new,delete和C中的malloc等有什么不同.**

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C/C++内存分布

在c和c++中,内存区大概分为这几个板块:栈区,内存映射段,堆区,数据段和代码段.

• 栈区: 存放非静态局部变量,函数参数,函数返回值等,其优先使用高地址,并逐渐往下.
• 内存映射段: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内存，做进程间通信.由于博主还未更新到操作系统,这里不做过多介绍.
• 堆区: 用于程序运行时进行动态内存分配(一般使用malloc),其优先使用低地址,逐渐往上.
• **数据段:**存储全局数据和静态变量.
• **代码段:**可执行的代码/只读常量.

理论千遍,不如用例子一现,大家往下看:

在上图中,大家可以清晰的看到各种类型数据的存储区域,一目了然.

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c语言中动态内存管理方式

我们在学习c语言时候,想要向堆区申请一块空间,只能通过malloc()函数,而且操作比较麻烦,需要计算申请空间的大小并且进行强制转换.

int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);

int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3 );

我们可以清晰的看到,在c语言中申请一块堆区内存空间,操作有点繁琐,那么在C++语言中,是怎么申请一块堆区内存呢?

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C++内存管理方式

在c++中,c语言的内存管理方式依然可以使用,但是有些地方仍然使用c中的方法进行申请就比较麻烦,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.

那么什么时候使用c内存管理方式就会比较麻烦呢?比如下面:

class Stack
{
public:
	Stack(int* p,int n)
    {
        val = p;
        top = capacity = n;
    }
private:
    int* val;
    int top;
    int capacity;
};

int main()
{
    Stack* stack = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
    //然后现在我们想要进行初始化,发现好像不能操作了(因为私有成员外部无法访问),这就会比较麻烦,因此提出了new和delete的操作
    return 0;
}

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new和delete操作基础类型

①开辟单个元素基本语法: type* name = new type(content);

①释放空间语法: delete name;

其中type是开辟的元素类型,name是变量名,content是想要赋的值,例如:

int* a = new int(10);         //开辟一个整型空间,并且初始化为10;
char* s = new char('s');      //开辟一个字符空间,并且初始化为's';

delete a;
delete s;                     //释放a和s

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②开辟数组基本语法: type* name = new type[n]

②删除数组基本语法:delete[] name;

其中type是开辟的元素类型,name是数组名,n是空间数量,例如:

int* num = new int[10];         //开辟10个int类型的空间
char* str = new char[10];        //开辟10个char类型的空间

delete[] num;
delete[] str;    //释放num和str;

**注意点:**在c语言中malloc,realloc,calloc等是函数,在c++中,new和delete是操作符.

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new和delete操作自定义类型

使用语法和上面的自定义类型几乎一样,只是初始化位置有点差别,语法:type* name = new type(s1,s2,s3...);

其中type是自定义的类型,s1,s2,s3等是自定义类型中构造函数的对应参数.例子:

class Test
{
public:
    Test(int a,int b,int c)
    {
        _a = a;
        _b = b;
        _c = c;
    }
private:
    int _a;
    int _b;
    int _c;
};

int main()
{
    Test* t = new Test(1,2,3);  //根据构造函数参数列表写对应参数.
    delete t;
}

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基于malloc开辟并初始化的自定义类型

有人可能会有点好奇,说,我就是要用malloc开辟自定义类型,但是我还想初始化,这么进行操作?答案是,可以的,需要搭配new

语法 new(type*) type(s1,s2,s3...)

什么意思呢?我们仍然按照上面的Test类举例:

Test* t = (Test*) malloc(sizeof(Test));
new(t)Test(1,2,3);    //这样就可以初始化了.

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new和delete底层实现原理

在讲解他们的底层实现原理之前我们先介绍一下两个全局函数,分别是operator new 和operator delete.

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operator new和operator delete

大家看到上面的形式可能会误认为是对new和delete进行了重载,实际并不是,只是这两个函数就叫做这名字而已.

我们在学习C语言时候,还记得是当开辟空间时候需要进行检查是否成功吗?而operator new其实和malloc一模一样,只是它对空间开辟失败后做出的反应是抛出异常,而c语言中,我们是手动判断,然后停止.下面是operator new的代码:

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)              //如果开辟成功就不会进入循环,并且可以清晰
		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);
}

同理,operator delete不过也就是free,下面是它的代码:

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;
}

总结:operator new其实就是对malloc的封装,operator delete 就是堆free的封装.

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new的底层实现

new的实现其实是进一步对malloc的封装,因为new的操作可以分为下面两件事:

• 调用operator new进行开辟空间.
• 如果开辟的空间是自定义类型,new再调用其构造函数.

所以说,new的内部其实就是有构造函数和operator new封装而成.

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delete的底层实现

同样的道理,delete不过就是对free的进一步封装,因为delete的操作可以分为下面两件事:

• 如果new开辟的空间是自定义类型,则首先调用其析构函数释放其内部资源.
• 然后再调用operator delete,进行释放new所开辟出来的空间.

注意了,这里可能有人不明白自定义类型先释放内部,然后销毁外部空间啥意思,博主这里画图介绍,不过大家先看一下下面的一个类:

class Stack
{
public:
	Stack()
		:num(new int[10]),
		top(0),capacity(10)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] num;
		top = capacity = 0;
	}
private:
	int* num;
	int top;
	int capacity;
};

int main()
{
    Stack stack;
    delete stack;
    return 0;
}

如果我们定义一个该对象,那么其空间分布如下:

如果delete不先调用析构函数,那么释放了stack对象后,在堆区里面的num将会继续存在,导致内存泄露.

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new[]的底层实现

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

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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

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