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 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。
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 new和delete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 new与operator delete函数
4.1 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。
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. new和delete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/free和new/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
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