C++有关内存的那些事

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前言

本篇博客是讲解关于C++内存的一些知识点的。

文章目录

前言

1.内存函数

1.1memcpy函数

1.2memmove函数

1.3 memset函数

2.各数据类型占用

2.1bool类型

2.2char类型

2.3short、int、long类型及整数

2.4float类型及double类型及浮点数

3.学习内存有什么用

总结

1.内存函数

内存函数是在计算机程序中用来操作内存的一类函数。内存函数可以用于分配和释放内存，读取和写入内存中的数据，以及进行内存的复制和移动等操作。

在这里，我们主要介绍几种较为重要的内存函数。

1.1memcpy函数

memcpy函数是C++中的一个标准库函数，用来实现内存拷贝操作。它的原型如下：

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

在C++中，也可以使用内存拷贝操作来复制数组元素。C++提供了memcpy函数，它与C的memcpy函数功能相同，但被包含在std命名空间中。

下面是使用memcpy实现数组元素拷贝的示例代码：

#include <iostream>
#include <cstring>

using namespace std;

int main() {
    int srcArray[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int destArray[5];

    // 使用memcpy函数拷贝数组元素
    memcpy(destArray, srcArray, sizeof(srcArray));// 思考：sizeof(srcArray)是什么？这个函数拷贝拷贝了多少元素？
    memcpy(destArray, srcArray,20);//思考：这里可以拷贝多少元素？
    //思考：这里是谁拷贝的谁？

    // 打印目标数组的元素
    for (int i = 0; i < sizeof(destArray) / sizeof(destArray[0]); i++) {
        cout << destArray[i] << " ";
    }
    
    return 0;
}

1.sizeof(srcArray)是srcArray数组的字节大小，即sizeof(int) * 5，所以sizeof(srcArray)是20。

2.这个函数拷贝了5个元素。因为memcpy函数根据参数指定的字节数进行拷贝，sizeof(srcArray)指定了srcArray数组的字节大小，所以拷贝了整个srcArray数组的元素。

3.第二个memcpy函数使用了20作为拷贝的字节数。因为是5每个int占4个字节，所以这个函数可以拷贝5个元素。

4.这里是destArray拷贝了srcArray数组。

memcpy函数在处理内存重叠问题时是未定义行为。也就是说，如果源内存块和目标内存块重叠，memcpy函数可能会导致不可预测的结果。

输出结果：

1.2memmove函数

memmove与memcpy类似，但不同的地方是memmove是可以处理内存块的重叠的。它的函数原型为：

void *memmove(void *dest, const void *src, size_t count);

拷贝数组：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main()
{
 int arr1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 memmove(arr1+2, arr1, 20);
 for (int i = 0; i < 10; i++)
 {
     cout<<arr1[i]<<' ';
 }
 return 0;
}

输出结果：

这里出现了一个问题，那就是内存重叠了。

那么，我们如何处理这个内存重叠问题呢？

我们可以检查它们的内存是否重叠。

如果是，那我们就直接从后往前拷贝，否则，我们就从前往后拷贝。

图示：

src：src 是 memory source 的缩写，表示源地址，即需要被复制的内存块的起始位置。

dest：dest 是 destination 的缩写，表示目标地址，即复制后的内存块的起始位置。

代码：

// 自定义 memmove 函数，解决内存重叠问题
void* me(void* d, const void* sr, size_t n) {
    void* ret = d;

    if (d <= sr || (char*)d >= ((char*)sr + n)) {
        // 从前往后
        while (n--) {
            *(char*)d = *(char*)sr;
            d = (char*)d + 1;
            sr = (char*)sr + 1;
        }
    } else {
        // 从后往前
        d = (char*)d + n - 1;
        sr = (char*)sr + n - 1;
        while (n--) {
            *(char*)d = *(char*)sr;
            d = (char*)d - 1;
            sr = (char*)sr - 1;
        }
    }
    
    return ret;
}

1.3 memset函数

memset函数式将指定大小的内存块设置为给定的值。它的函数原型为：

void * memset ( void * ptr, int value, size_t num);

使用：

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
int main() {
    char str[10];
    
    // 将str的前5个字节设置为字符 'A'
    memset(str, 'A', 5);
    
    cout << str << endl;  // 输出 "AAAAA"
    
    return 0;
}

运行结果：

2.各数据类型占用

我们可以用sizeof(数据类型)格式来计算个数据类型的占用内存大小。这里我们要了解一个知识点：

字节是计算机中的最小存储单位，通常用来表示一个字母、一个数字或者一个符号。一个字节等于8个二进制位，即8个0或1。字节是计算机中信息存储和传输的基本单位，用来表示各种数据类型和文件大小。

二进制位是计算机中的最小计数单位，用于表示数字的最基本形式。二进制位只能是0或1两种状态，用于表示八进制、十进制、十六进制等不同进制数系统的数值。计算机中的所有数据都是以二进制位的形式存储和处理的，二进制位的组合可以表示各种不同的数值和字符。8个二进制位组合在一起形成一个字节，即8位二进制位表示一个字节的数据。

2.1bool类型

代码：

cout<<sizeof(bool)<<endl;

占用一字节。

解释：

bool类型占用内存是一个字节。虽然大家可能觉得bool类型的取值范围只有true和false两种，占用内存应该很小，但是为了在内存中存储和处理bool类型的值，需要用一个字节来表示。这是因为计算机在内存中最小的存储单元就是一个字节，无法将一个布尔值存储在更小的存储单元中。因此，无论bool类型的值占用的实际位数是多少，它始终会占用1个字节的内存空间。

2.2char类型

代码：

cout<<sizeof(char)<<endl;

占用一个字节，及八位二进制位，图表：

1/0

其中，每一个二进制位的变化都可以表示一个不同的值，也就是2^8=256个值，只是当有符号和无符号时表示的范围并不相同，我们平时的所用的每一个字符在内存中都由8位2进制位来表示。

比如，字符'A'在ASCLL码中对应65，在内存则表示为：

2.3short、int、long类型及整数

short、int、long类型都是储存整数的，所以放到一块讲了。

short类型：

cout<<sizeof(short)<<endl;

占用二字节，也就是十六位二进制位，可以表示2^16=65536个值。

int类型：

cout<<sizeof(int)<<endl;

占用四字节，三十二位二进制位，可以表示2^32=4294967296个值。

long类型：

cout<<sizeof(long)<<endl;

也是占用四字节，表示三十二位二进制位，可以表示2^32=4294967296个值，和int类型一样。

整数：

整数的存储都是由原码、反码、补码来表示的：

对于整数：

1. 原码：只要通过正负数判断即可获得原码，（正数1，负数0）

2. 反码：在原码的基础上，对负数的各位取反。

3. 补码：在反码的基础上，对负数的最低有效位加1。即将反码（符号位除外）加1得到补码。

注：正整数的原、反、补码是相同的。

在计算机内存中，整数通常用二进制补码的形式来储存。为什么呢？

因为计算机中通过补码运算可以实现加法、减法、乘法和除法等操作。在进行运算时，计算机会自动进行补码的转换和处理。

2.4float类型及double类型及浮点数

因为float和double都是储存浮点数的，所以归为一类了。

float类型

代码：

cout<<sizeof(float)<<endl;

占用四字节，三十二位二进制位。

这里需要了解一个表示方式，就是二进制的科学表示法：

± mantissa × 2 exponent
（mantissa：尾数，exponent：指数，均使用二进制表示）

它的储存采用了IEEE 754单精度浮点格式，存储方式如下（第二行为例子，第三行为二进制位所在的位置）：

1 bit（符号位）	8 bit（指数位）	23 bit（尾数位）
0	0 1 1 1 1 1 0 0 0	0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
30	31 23	22 0

这里的bit也是二进制位，是二进制位的缩写。如上图所示，该格式最高一位是符号位，0位正，1位负，后面8位为无符号整型数，表示范围为0~265，后面23位小数为，索引从22到0分别对应2^-1到2^-23。

double类型

代码：

cout<<sizeof(double)<<endl;

double型在内存中有八个字节，储存的数据较大，六十四位二进制位（bit）。他和float类型一样，都是采用的二进制的科学计数法。

它的储存采用了IEEE 754双精度浮点格式，储存方式如下（第二行为位置）：

1 bit（符号位）	11 bit（指数位）	52 bit（尾数位）
第一个为63位	倒数第一个为52位	倒数第一个为0位

如上图所示，该格式最高位也为符号位，0位正，1位负，后面11位为无符号整型数，表示范围为0~2^11-1，后面52位小数为，索引从51到0分别对应2^-1到2^-52。

浮点数

浮点数的储存方式可看上面的两张图表，接下来讲一下浮点数如何转化为二进制。

步骤：

1. 将浮点数分为整数部分和小数部分。例如，考虑浮点数12.375，整数部分为12，小数部分为0.375。

2. 将整数部分转化为二进制。对于整数部分，可以使用短除法将其转化为二进制。例如，12转化为二进制是1100。对于短除法，这里就不过多讲述了，大家可以去查一查。

3. 将小数部分转化为二进制。对于小数部分，可以使用乘2取整法将其转化为二进制。将小数部分乘以2，记录下整数部分，然后取小数部分再乘以2，依此类推，直到小数部分为0或达到所需的精度。例如，0.375转化为二进制的过程如下：
留下的小数部分   积    整数部分
   0.375 x 2 = 0.75 -> 0//整数部分为0，记录整数部分，小数部分继续乘2
   0.75 x 2 = 1.5 -> 1//整数部分为1，记录整数部分，小数部分继续乘2
   0.5 x 2 = 1.0 -> 1//整数部分为1，记录整数部分，小数部分为0，停止运算
所以，0.375转化为二进制是0.011（取整数部分作为二进制）。