【C++ 初阶路】--- C++内存管理

目录

  • 一、C/C++内存分布
  • 二、C++内存管理方式
    • 2.1 new/delete操作内置类型
    • 2.2 new和delete操作自定义类型
  • 三、operator new与operator delete函数
  • 四、new和delete的实现原理
    • 4.1 内置类型
    • 4.2 自定义类型

一、C/C++内存分布

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？

  • 全局变量，静态区

staticGlobalVar在哪里？

  • 静态全局变量，静态区

staticVar在哪里？

  • 静态局部变量，生命周期延长，静态区

localVar在哪里？

  • 局部变量，出了函数作用域就销毁，栈区

num1在哪里？

  • 在栈上开辟的数组num1，大小40字节，出栈销毁，数组名num1为指向第一个元素的指针，存放在 栈区

char2在哪里？

  • "abcd"原是在常量区，后拷贝到栈区形成数组，char2指向栈上数组的第一个字符，存放在 栈区

*char2在哪里？

  • 由上，解引用*char2得到拷贝到栈上的数组的第一个字符a， 栈区

pChar3在哪里？

  • 字符串"abcd"在常量区，pChar3指向这个字符串(地址)，但pChar3本身为指针，存放在 栈区

*pChar3在哪里？

  • 由上*pChar3，解引用后指向常量字符串，在 常量区

ptr1在哪里？

  • 同理，malloc()在堆区上开辟了一段空间，ptr1指针指向这段动态开辟的堆区空间，指针本身还在 栈区

*ptr1在哪里？

  • 由上，malloc()开辟空间在堆区，*ptr1解引用后拿到堆区上的数据，所以在 堆区
  1. 填空题：
    sizeof(num1) = 40; // sizeof(int)* 10 — sizeof(数组名)，此时为整个数组大小
    sizeof(char2) = 5; // 还有一个'\0'
    strlen(char2) = 4; // 到'\0'结束，此时char2为字符数组的第一个元素的地址
    sizeof(pChar3) = 4 or 8; // 指针大小固定为 4 or 8 区别在于机器位数
    strlen(pChar3) = 4;
    sizeof(ptr1) = 4 or 8;
    如还需进一步了解，还可参考 详解sizeof()和strlen()的细节及用法 一文。sizeof是一个运算符，在编译时根据类型大小定义，自定义类型根据内存对齐规则计算大小(编译时就是一个具体的值！)；而strlen是一个函数，运行时计算字符长度，事实上在编译时就没有此函数了，被转换为了一个个指令(即call此函数实现地址，执行内部指令`)！

在这里插入图片描述

【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内存，做进程间通信。（Linux具体讲解）
  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。

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

【面试题】: malloc/calloc/realloc的区别？ 参考 【c语言】详解动态内存管理 一文。

二、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。

2.1 new/delete操作内置类型

  1. 用法上，变简洁了
int* p0 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p1 = new int;
int* p2 = new int[10]; // new 10 个int 对象

delete p1;
delete[] p2;
  1. 可以控制初始化
int* p3 = new int(10); //动态申请一个int类型的空间
int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};  //动态申请十个int类型的空间并初始化为{...}， 其余为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。

2.2 new和delete操作自定义类型

  1. 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，内置类型是几乎是一样的
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		std::cout << "A():" << this << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "~A():" << this << std::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;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

调用new动态开辟内存，编译器会自动帮我们计算要开辟的空间，并调用operator new全局函数(其是对malloc的封装，失败抛异常也是在这一层，为了实现new)，然后再调用自定义类型的构造函数。从汇编角度，如下：

new [n]是会调用operator new[]函数(其是对operator new的封装) 和 n 次构造函数。

在这里插入图片描述

delete释放空间也相似，只不过先调用析构函数，再释放空间。 至于为什么，参考如下情况：

class MyStack
{
public:
	MyStack()
		: _a((int*)malloc(sizeof(int) * 4))
		,_capacity(4)
		, _top(0)
	{}

	~MyStack()
	{
		free(_a);
		_top = _capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _capacity;
	int _top;
};

int main()
{
	MyStack* st = new MyStack;
	delete st;
	return 0;
}

若先调用operator delete，_a指针变量所在的地址空间将被释放，无法找到malloc开辟的堆上空间！

在这里插入图片描述

再来观察如下现象，new A开辟的是4字节空间，但是new A[10]开辟的却是44字节空间，这是为什么呢？

在这里插入图片描述

new A调用一次operator new和一次构造函数；同理new A[10]调用十次operator new和十次构造函数，因为[]中传有开辟对象个数。那么delete调用一次析构和一次operator delete，但是delete[]可就不一样了，因为[]中没有传析构次数，所以编译器就不知道。那么为了让编译器知道次数，就在开辟的空间顶上多开辟4个字节来存放对象个数(X86环境，实测X64环境下多开辟8字节)，只有这样delete[]才知道调用多少次析构函数。

在这里插入图片描述

当然也有很多情况不会在顶上多开辟空间：1. new内置类型，不需要析构；2. 没有显示写析构函数的自定义类型。（基于编译器的优化）

new和delete不匹配问题：

一个非常典型的问题（基于编译器的优化）就是：当new多个自定类型时(A* p = new A[10])，且直接使用delete A，如果A类显示实现析构函数就会报错，如果不写析构函数就不会报错！ 这与上面那个问题密切相关，即是否多开辟空间存对象个数。

如果显示实现了析构函数，p3并没有指向动态开辟内存的起始位置，且delete又不知道要向前偏移，所以直接释放了动态开辟的内存的中间位置，导致报错！ 而不实现析构函数，就不会多开辟空间，也就避免了这样的问题。当然两者情况都可能会导致内存泄漏的问题！：

在这里插入图片描述

所以new和delete一定要匹配使用，因为导致的结果可能是不确定的！

  1. new失败了以后抛异常，不需要手动检查，捕获异常方式：
try
{
	func(); // 其中调用new
}
catch(const std::exception& e)
{
	std::cout << e.what() << std::endl;
}

运用如上这些定理我们自己实现单链表也变得方便的多了！首先我们可以先创建一个类来描述单链表，然后单独实现创建链表的函数。

可以先创建一个哨兵位(MyList head(-1);，栈上开辟，此节点为了方便后续链表节点的链接，且在创建单链表函数结束时自动销毁)；然后通过cin输入链表节点值(val)，并在堆上开辟链表节点(new MyList(val);，此时还会调用MyList类的构造函数)；最后再链接各节点，并返回哨兵位后一个节点(head._next)，即链表初始节点(哨兵位节点，栈上空间，出作用域自动销毁)。

//C++中List单链表的创建
struct MyList
{
	MyList(int val = 0)
		:_next(nullptr)
		,_val(val)
	{}

	MyList* _next;
	int _val;
};

MyList* CreatList(int n)
{
	MyList head(-1);//哨兵位  ---  出栈销毁

	MyList* tail = &head;
	int val;
	std::cout << "请以此输入" << n << "个节点的值:> " << std::endl;
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		std::cin >> val;
		tail->_next = new MyList(val);  // 堆上开辟，链表实体; 且自动调用构造函数
		tail = tail->_next;
	}
	//返回哨兵位后面一个节点
	return head._next;
}
int main()
{
	MyListNode* head = CreatListNode(1);
	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。

三、operator new与operator delete函数

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(不是重载！)，new在底层调用operator new 全局函数来申请空间（对malloc的封装），delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间（对free的封装）。

/*
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。

四、new和delete的实现原理

4.1 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。

4.2 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

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