1.C++中动态内存管理
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。
1.1 new/delete操作内置类型
- c语言和c++的动态内存开辟对比
//c语言和c++的动态内存开辟对比
int main()
{
//C语言的动态内存开辟
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int);
if (p1 == NULL)
{
perror("malloc");
}
//c++动态的内存开辟
int* p2 = new int;//不会初始化
int* p3 = new int(10);//初始化,一个int
int* p4 = new int[10];//开辟10个int型的空间
int* p5 = new int[10]{ 1,2,3,4,5, };//开辟10个int型的空间并初始化为{1,2,3,4,5,0,0,0,0,0,0}
free(p1);
delete p2;
delete p3;
delete[] p3;
delete[] p4;
return 0;
}
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。
- malloc 和free ,new和delete,new [],delete[] 都要配对使用,如果交叉使用可能会有奇怪的问题。
1.2 new和delete操作自定义类型
- C语言中动态内存开辟和c++中动态内存开辟的对比,当然c++兼容c的动态内存开辟。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
struct ListNode
{
int _val;
ListNode* _next;
ListNode(int val)
:_val(val)
, _next(nullptr)
{}
};
//ListNode BuyListNode(int x)
//{
// //...
//}
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;
//与节点的对比,与c语言中
ListNode* n1 = new ListNode(1);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n2 = new ListNode(3);
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。
2. operator new与operator delete函数
2.1 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是个函数名,与运算符重载没有关系。
- c++和c的内存泄漏都不会报错,都是自己管理的,要求你自己释放。java 有垃圾回收,在虚拟机实现,对象用完会自动释放,但是对性能有影响。
- new的底层是operator new ,operator new的底层是malloc,delete同理。
/*
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。
- c语言和C++开辟空间的对比,new和malloc ,free和delete之间的对比
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;
};
class A
{
};
int main()
{
int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));//开辟失败会抛出异常
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));//开辟失败返回nullptr
if (p2 == nullptr)
{
perror("malloc");
}
//申请空间-》调用构造函数
//封装malloc到operator new,开辟失败抛出异常,所以new的底层还是mlloc只不过封装了一些异常,保持面向对象的特性
A* p3 = new A;
//先调用析构函数-》再释放p5的空间
//operator delete
delete p3;
//operator new[] 调用了operator new,一样的
A* p4 = new A[10];//调用10次构造函数
//operator delete[] p4指向的空间。
delete[] p4;//调用10次析构函数
//这种不匹配不会报错,都是内置类型
int* p5 = new int[10];
free(p5);
//这种不匹配不会报错,A没有资源释放
A* p6 = new A;
free(p6);//没有调用析构函数,但是类里面没有需要释放的内存,所以不会内存泄漏
Stack st;//不用释放内存,因为这是自定义类型,生命周期结束会自动调用析构函数
Stack* pst = new Stack;//
delete pst;//先调用析构函数,再去释放pst指向的空间
//free(pst);//只释放了pst指向的空间,没有调用析构函数释放类里面开辟的空间,而且c/c++都不会报错
A* p7 = new A[10];
//delete p7;//这个只会释放一个A的空间
delete[] p7;
//free(p7);//不会报错,会释放所有空间(这里可能有点问题,用到再看看)
return 0;
}
- delete调用析构函数的流程 和 自定义类型直接结束自己调用析构
如果只delete一个A对象是从p9开始释放一个对象,但是如果有[],它就会减一个位置,然后知道要释放10个对象,仅限vs编译器是这样
3.new和delete的实现原理
3.1 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。
3.2 自定义类型
- new的原理
调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数,完成对象的构造
- delete的原理
在空间上执行析构函数,完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间
- **new T[N]**的原理
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
在申请的空间上执行N次构造函数
- delete[]的原理
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
调用operator delete[]释放空间,实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
4. 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
//对一块已有的空间初始化 --- 定位new
//new(p1)A;
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
class A
{
public:
A()
{
}
A(int a)
{
}
};
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
if (p1 == nullptr)
{
perror("malloc");
}
//对一块已有的空间初始化 --- 定位new
//new(p1)A;
new(p1)A(1);
return 0;
A* p2 = new A;
p1->~A();
free(p1);
delete p2;
}
程序需要频繁使用内存,就提出使用内存池的机制。
向操作系统的堆申请空间比较慢,因为操作系统所有的都向这里申请,如果想要快点,就建立一个内存池,有位置就申请,无位置就继续返回操作系统申请
- 以下是关于C/C++内存分布的更多信息和示例:
- 多线程与内存分布:在多线程环境中,每个线程都有自己的栈区,用于存储线程执行过程中的现场信息。而堆区和全局变量区则被所有线程共享。因此,在多线程编程中,需要注意同步和互斥机制的使用,以避免因多个线程同时访问同一块内存而导致的数据竞争。
示例:
#include <iostream>
#include <thread>
void thread_func() {
std::cout << "Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << '\n';
}
int main() {
std::thread t1(thread_func);
std::thread t2(thread_func);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
- 内存映射文件:内存映射文件是一种将磁盘文件映射到内存空间的技术。通过内存映射文件,程序可以直接访问文件内容,而无需通过传统的文件读写操作。这种技术可以提高程序的性能,简化文件操作。
示例:
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
const char* filename = "example.txt";
int fd = open(filename, O_RDONLY);
void* map_ptr = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
int value = *(int*)map_ptr;
std::cout << "Value from file: " << value << '\n';
munmap(map_ptr, sizeof(int));
close(fd);
return 0;
}
以上示例和信息展示了C/C++内存分布的更多应用场景和技巧。如有更多问题,请随时提问。