内存管理
- 一.C/C++内存分布
- 二.C++内存管理方式
- 1.new、delete操作内置类型
- 2.new、delete操作自定义类型
- 3.32位、64位机器的区别
- 三.operator new与operator delete函数
- 四.new和delete的实现原理
- 1.内置类型
- 2.自定义类型
- 1.new的原理
- 2.delete的原理
- 3.new T[N]的原理
- 4.delete[]的原理
- 五.定位new表达式(placement-new)
- 六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）
一.C/C++内存分布
总结：
- 栈（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。
- 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）
- 堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
- 数据段：存储全局数据和静态数据。
- 代码段：可执行的代码/只读常量。
我们先来看下面的一段代码和相关问题：
二.C++内存管理方式
C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free。
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.new、delete操作内置类型
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//动态申请一个int类型的空间，未初始化
int* p1 = new int;
//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p2 = new int(10);
//动态申请10个int类型的空间，未初始化
int* ptr1 = new int[10];
//动态申请10个int类型的空间，并初始化前5个，后面默认为0
int* ptr2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};
delete p1;
delete p2;
delete[] ptr1;
delete[] ptr2;
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。
2.new、delete操作自定义类型
#include<iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{
int val;
ListNode* next;
ListNode(int x)
:val(x)
,next(next)
{}
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
//new对于自定义类型：调用构造函数
ListNode* n1 = new ListNode(1);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(3);
ListNode* n4 = new ListNode(4);
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;
n4->next = nullptr;
//delete对于自定义类型：调用析构函数
delete n1;
delete n2;
delete n3;
delete n4;
return 0;
}
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a1 = 0, int a2 = 0)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{
cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl;
}
A(const A& a)
:_a1(a._a1)
, _a2(a._a2)
{
cout << "A(const A& a)" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a1 = 1;
int _a2;
};
int main()
{
A* p1 = new A;
A* p2 = new A(1, 2);
//构造+拷贝构造：初始化3个自定义空间
A aa1(1, 1);
A aa2(2, 2);
A aa3(3, 3);
A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };
//构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数
A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) }; //匿名对象
//A aa1 = { 1,1 }; 隐式类型转换：构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数
A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };
//delete
return 0;
}
总结：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，但内置类型是几乎是一样的。
3.32位、64位机器的区别
32位的描述
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//malloc申请空间失败，返回NULL指针
//new申请空间失败会抛出异常，需要捕捉异常
//throw try/catch 如下：
try
{
int n = 1;
while (1)
{
// 1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024*1024*1024 Byte
void* p1 = new char[1024 * 1024]; // 1 MB = 1024*1024 Byte
cout << p1 << "->" << n << endl;
++n;
}
}
catch(const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
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，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)
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
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。
int main()
{
int* p = new int(10);
//free(p);
delete(p);
int* p1 = new int[10];// ->malloc
//free(p1);
delete(p1);// ->free
//对于内置类型：delete与free互用都可行
}
2.自定义类型
1.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。
2.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。
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a, int* ptr)
: _a(a)
, _ptr(ptr)
{}
~A()
{
delete _ptr;//释放_ptr指向的数据，防止内存泄漏
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
int* _ptr;
};
int main()
{
A* p1 = new A(1, new int(2));
//free(p1); 不会调用析构函数，导致内存泄漏
delete p1; //调用析构函数，防止内存泄漏
return 0;
}
3.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。
4.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。
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 1)
:_a(a)
{}
private:
int _a = 2;
};
class B
{
public:
B(int b = 2)
:_b(b)
{}
~B()
{}
private:
int _b = 2;
};
int main()
{
A* p1 = new A[10];
B* p2 = new B[10];
delete p1; //未写析构函数，编译器做了优化
//delete p2; //写了析构函数，编译器未做优化，程序崩溃
delete[] p2; //正确的写法
return 0;
}
总结：new与delete一定要匹配使用，不要错配，否则有程序崩溃的风险。
五.定位new表达式(placement-new)
定位new表达式是在已分配的原始内存空间（用operator new分盘空间）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。
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A()：" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()：" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = new A(1);//先开空间，再调用构造函数初始化p1
delete p1;//先调用析构函数，再释放p1
A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));//只开空间，未调用构造函数（相当于malloc）
new(p2)A(1);//调用构造函数初始化p2
p2->~A();//调用析构函数
operator delete(p2);//释放p2
return 0;
}
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。
六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）
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：
-
malloc和free是函数，new和delete是操作符。
-
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
-
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。 -
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。
-
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。 -
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。
