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C++之内存管理

                   

                       

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                                                🌹专栏🌹:C++入门

 

目录

前言

一、C/C++内存分配

二、 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detele操作自定义类型

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) (了解)

七、malloc/free 和 new/delete的区别


 

前言

hello ,大家又来跟着bear学习了。一起奔向更好的自己

一、C/C++内存分配

这里通过一道题来复习一下内存分配

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?____

 globalvar我们发现他定义成全局变量,全局变量和静态变量一般都放在静态区。所以是选择C。

staticGlobalvar是静态的全局变量所以还是静态区,选C。

staticVar是test函数的静态变量所以还是放在静态区,选C。

localVar定义在test函数的int类型变量,局部变量一般放在栈里面。故选择A。

num1是一个int类型的数组还是局部变量储存在栈里面,选择A。

char2是一个char类型的数组,同理储存在栈里面,选择A。

*char2是对char进行解引用操作,类似于对指针解引用也就是得到char2数组里面的值,因为数组里面的值储存在栈里面。所以*char2还是在栈里面,选择A。

pChar3是const char类型的指针是一个局部变量储存在栈里面,故选择A。

*pChar3是对他进行解引用操作,但是pChar3是指向"abcd"这个地方,我们解引用也就是问"abcd"储存在哪里?(abcd是常量字符串)因为是常量所以储存在常量区也就是代码段里面。故选择D。

ptr1是一个int类型的指针,指针也是局部变量储存在栈里面。所以选择A。

*ptr1对也就是ptr1里面的数据储存在哪里?因为是动态开辟了一块空间。所以数据也储存在这块动态开辟的空间里面。动态开辟所以储存在堆里面。选择B。

 

1. 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. 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。
我自己还有一些理解:
函数调用就是建立了“栈”,动态申请就是在“堆”。
栈:存储局部变量、函数参数和返回地址。
堆:动态分配的内存,由 new 和 delete 操作,还有像什么malloc和free操作的。
静态区:存储全局变量、静态变量。
代码段:用来储存常量区的。

二、 malloc、calloc、realloc、free

1. malloc:
功能:分配指定大小的内存块。
使用: void* malloc(size_t size); 

说明: malloc  分配的内存块中的值是未初始化的,即它们可能包含任意数据。因此,在使用  malloc  分配的内存之前,通常需要使用  memset  或其他方式来初始化内存。
2. calloc:
功能:分配指定数量的元素,每个元素大小为指定大小的内存块,并初始化为零。
使用: void* calloc(size_t num, size_t size); 

说明: calloc  会分配  num * size  字节的内存,并将所有位初始化为零。这在需要分配数组时特别有用,因为它确保了所有的元素都被初始化为零。
3. realloc:
功能:重新分配指定内存块的大小。
使用: void* realloc(void* ptr, size_t new_size); 

说明: realloc  用于调整之前使用  malloc  或  calloc  分配的内存块的大小。如果  ptr  是  NULL ,则  realloc  的行为类似于  malloc 。如果内存块被成功扩展或缩小, ptr  指向的内存块将被更新以反映新的大小。如果  new_size  小于或等于原始大小, realloc  可能不会改变内存块的大小,但仍然会返回指向原始内存块的指针(也就是失败了不改变原来那片空间,只有成功了才会改便之前的空间)。
注意事项:
这些函数返回的指针类型为  void* ,这意味着它们返回一个通用指针,可以被转换为任何类型的指针。
如果内存分配失败, malloc  和  calloc  会返回  NULL ,而  realloc  会返回  NULL  并且不会改变原始的内存块。
使用这些函数分配的内存需要在使用完毕后通过  free  函数释放,以避免内存泄漏。
这些函数是 C 语言中动态内存管理的基础,正确使用它们对于编写高效且稳定的程序至关重要。

malloc的实现原理?glibc中malloc实现原理有兴趣的可以点开看

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。(很像C语言的malloc和free)

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:匹配起来使用。
虽然也可以使用free来释放空间。但是并不建议使用。

3.2 new和detele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。

四、operator newoperator 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
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)

不用看懂!

五、newdelete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) (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(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;
}

七、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

感谢大家的支持,我会继续努力创造出更好的博客。

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