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联邦学习(三只决策和大数据分析)(学习笔记)

海滨公园 10-01 23:09 阅读 0

在这里C++的内存管理相较于C作出了许多升级,下面我们就来了解一下。

1.C/C++内存分布

我们先来看一下下面的问题,温习一下C的内存分布

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?____
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?____

在 C/C++中,内存主要分为以下几个部分:
一、栈(Stack)
 
1. 存储内容:
 
- 局部变量:函数内部声明的非静态变量。
- 函数参数:传递给函数的参数。
- 函数调用信息:如返回地址等。
2. 特点:
 
- 先进后出(LIFO)的数据结构。
- 内存由编译器自动管理,当函数被调用时分配空间,函数返回时自动释放。
- 空间相对较小,通常几兆字节。
 
二、堆(Heap)
 
1. 存储内容:
 
- 动态分配的内存:通过  malloc (C)、 new (C++)等函数分配的内存。
- 对象和数据结构:可以在运行时根据需要分配较大的内存空间。
2. 特点:
 
- 内存的分配和释放由程序员手动控制。
- 空间相对较大,可以根据需要动态增长。
- 管理不当容易导致内存泄漏和内存碎片问题。
 
三、数据段(Data Segment)
 
1. 存储内容:
 
- 已初始化的全局变量和静态变量。
- 常量数据:如字符串常量等。
2. 特点:
 
- 在程序加载时分配内存,并在整个程序运行期间存在。
- 数据是可读可写的(对于已初始化的全局变量和静态变量)或只读的(对于常量数据)。
 
四、代码段(Code Segment)
 
1. 存储内容:
 
- 程序的机器代码:即函数和程序的指令。
2. 特点:
 
- 通常是只读的,以防止程序被意外修改。
- 在程序加载时被加载到内存中,并在整个程序运行期间存在。
 
五、内存映射段(Memory Mapping Segment)
 
1. 存储内容:
 
- 共享库:动态链接的库文件被映射到这个区域。
- 文件映射:可以将文件映射到内存中进行访问。
2. 特点:
 
- 可以提高程序对大文件的访问效率。
- 多个进程可以共享同一个内存映射区域,实现进程间通信。

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

malloc

malloc是c语言提供的一个动态内存开辟的函数:

这个函数向内存申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针。

如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针。

如果开辟失败,则返回一个 NULL 指针,因此malloc的返回值一定要做检查。

返回值的类型是 void* ,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用的时候使用者自己来决定。

如果参数 size 为0,malloc的行为标准是未定义的,取决于编译器

calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下:

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间,并且把空间的每个字节初始化为0。

与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0

realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

有时会我们发现过去申请的空间太小了,有时候我们又会觉得申请的空间过大了,那为了合理的时候内存,我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下:

ptr 是要调整的内存地址

size 调整之后新大小

返回值为调整之后的内存起始位置。

这个函数调整原内存空间大小的基础上,还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

realloc在调整内存空间的是存在两种情况:

        ◦ 情况1:原有空间之后有足够大的空间

        ◦ 情况2:原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1 的时候,要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间,原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2 的时候,原有空间之后没有足够多的空间时,扩展的方法是:在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址

free

C语言提供了另外一个函数free,专门是用来做动态内存的释放和回收的,函数原型如下:

free函数用来释放动态开辟的内存。

如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的,那free函数的行为是未定义的。

如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。

以上的几个函数都声明在stdlib.h的头文件中

3.C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

使用new开辟空间

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr1 = new int;
    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr2 = new int(10);
    // 动态申请3个int类型的空间
    int* ptr3 = new int[3];
    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
}

使用new开辟空间是不需要强制类型转换的

C语言使用free函数来释放空间,但在C++中使用delete操作符

注意:申请和释放单个元素的空间,使用 new delete 操作符,申请和释放连续的空间,使用

new[] delete[] ,注意:匹配起来使用。

在C++98中并不支持初始化new数组,但C++11后允许使用大括号{}来初始化。

	int* p1 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};
	int* p2 = new int[10] {};

	delete[] p1;
	delete[] p2;

使用 new 初始化数组时如果使用大括号,对于基本数据类型会进行值初始化,具体表现为:
 
- 对于内置数值类型,如 int 、 double 等,初始化为 0。
- 对于指针类型,初始化为 nullptr 。
 
对于自定义类类型,会调用该类的默认构造函数进行初始化,如果没有默认构造函数则会报错。

3.2 newdelete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 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p3 = new A;
    A* p4 = new A[10];

	free(p1);
	delete p2;
    free(p3);
    delete[] p4;

    // 内置类型是几乎是一样的
    int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p6 = new int;
    free(p5);
    delete p6;
	return 0;
}

对于自定义类型new开辟的空间不仅会调用构造函数还会调用析构函数,但内置类型是一样的

总结: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

注意:new/delete和malloc/free要匹配使用,不建议混着用,new出来的对象free有的编译器会崩溃

不仅如此,new[]出来的,如果不使用delete[],而去使用delete的话也会崩。

所以建议匹配使用,不要混着用,会有风险。

4. operator newoperator delete函数

4.1 operator newoperator 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

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

C语言申请空间失败处理错误的方式:返回值+错误码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void)
{
    char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u *2u);
    if (p1 == nullptr) {
        printf("%d\n", errno);
        perror("malloc fail");
        exit(-1);
    } else {
        printf("%p\n", p1);
    }
 
    return 0;
}

而C++申请空间失败处理错误的方式:一般是抛异常——try catch(后面会详细讲)

#include <iostream>
using namespace std;

int main(void)
{
	char* p2 = nullptr;
	try {
		char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2u - 1];
	}
	catch (const exception& e) {
		cout << e.what() << endl;
	}
	printf("%p\n", p2);

	return 0;
}

5. 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

6. 定位new表达式(placement-new) (了解)

“定位 new”在 C++中是一种较为复杂的操作。
一、定义
 
“定位 new”允许在已经分配的内存上构造对象,而不是像普通的“new”操作符那样在堆上动态分配新的内存空间并构造对象。它使用 new (place_address) type 的语法格式,其中 place_address 是一个指向已分配内存的指针。
 
二、使用场景
 
1. 内存池管理
 
- 在一些需要高效内存管理的场景中,如游戏开发、高性能服务器等,可以预先分配一块较大的内存作为内存池。当需要创建对象时,使用定位 new 在内存池中构造对象,避免频繁地进行动态内存分配和释放,从而提高性能。
- 例如,一个游戏引擎可能会为游戏中的角色预先分配一块内存,当新的角色被创建时,使用定位 new 在这块内存上构造角色对象。
2. 对象复用
 
- 有时候需要重复使用一些对象,而不是不断地创建和销毁它们。可以将这些对象放在一个对象池中,当需要使用时,使用定位 new 在已回收的对象内存上重新构造对象。
- 比如,在数据库连接池中,当一个连接被释放回池中后,可以使用定位 new 在该连接对象的内存上重新构造连接状态,以备下次使用。
3. 特定内存布局需求
 
- 在某些情况下,可能需要将对象放置在特定的内存地址上,以满足硬件或其他特殊要求。定位 new 可以满足这种需求。
- 例如,在与硬件设备交互的底层编程中,可能需要将某些数据结构放置在特定的内存地址,以便硬件能够直接访问。

总结一下:

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;
}

定位new不进行新的内存分配,而是在已经分配好的内存地址上构造对象。

7. malloc/freenew/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

今天的内容就到这了,有问题欢迎大家指正

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