C++中的内存管理

目录

一. C/C++的内存分布

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

 三. operator new与 operator delete函数

 四. new和delete的实现原理

1. 实现内置类型

 2. 实现自定义类型

五. 定位new表达式(placement-new)

六. malloc/free与new/delete的区别

1. 相同点

2. 不同点

一. C/C++的内存分布

C/C++中程序内存区域划分为下图所示

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(此为linux涉及内容这里不过多介绍)。
3. 堆——用于程序运行时动态内存分配，堆是可以向上增长的。
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。

分析一下以下代码中的变量在内存中的存储

#include<iostream>
using namespace std;
int g = 1;
static int s=11;
int main()
{
	static int ss = 2;
	int l = 0;
	int num[10] = { 1,1,1,1 };

	char ch[] = "abcd";
	const char* pch = "aaaa";
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);

	free(p1);
}

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++中可以继续使用C语言的内存管理方式，但有些地方就有点无能为力，且使用麻烦，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 g = 1;
static int s=11;
int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	//动态申请一个int类型的空间并将其初始化为10
	int* p2 = new int(10);
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[3];

	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
    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;
class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "gouzao" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "xigou" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(11);

	free(p1);
	delete p2;

	A* p3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p4 = new A[10]{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

	free(p3);
	delete[] p4;

	int bn = 0;
	return 0;
}

在申请自定义空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会调用。

 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 这个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，我们可以得知operator new 实际上也是通过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. 实现内置类型

若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。

 代码如下

#include<iostream>
using namespace std;

void fff()
{
	int n = 0;
	while (1)
	{
		n++;
		void* p1 = new char[1024 * 1024];
		cout << p1 << "   " << n << endl;
	}
}
int main()
{
	try
	{
		fff();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

结果如下

 2. 实现自定义类型

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，完成对象中的资源的清理工作
2. 调用operator delete 函数释放对象的空间

new X[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. 在释放的空间对象上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
2. 调用operator deletep[]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 Pc
{
public:
	Pc(int a=110,int b=42)
		: _a (a)
	, _b(b)
	{
		cout << "gz Pc 1111 ->" << _a << " " << _b << endl;
	}
	~Pc()
	{
		cout << "xg2222" << endl;
	}

private:
	int _a = 110;
	int _b = 42;
};

class Cp
{
public:
	Cp(int c=1, int d=2)
		:_c(c)
		, _d(d)
	{
		cout << "gz Cp 1111 ->" << _c << " " << _d << endl;
	}

private:
	int _c;
	int _d;
};

以上两个类，分别用以下主函数实现

int main()
{
	Pc* p1 = new Pc(1,2);

	delete p1;

	Cp* p3 =new Cp[10]{ { 1,2 }, { 2,3 }, { 3,4 },{4,5},{5,6},{6,7} };
	delete p3;
	return 0;

}

执行结果为

正常结束而当主函数代码如下时

int main()
{


	Pc* p2 = new Pc[10]{ { 1,2 }, { 2,3 }, { 3,4 },{4,5},{5,6},{6,7} };
	delete p2;
	return 0;

}

却发生了报错

 编译器在开辟数组空间时会在前面多开四个字节空间存储数组大小

这是p3的地址存储

再来看p2的地址存储

数组空间前面有一个额外空间 存储了数组个数(上图蓝色区域第一行)

1. 为什么Cp没有开额外空间呢？因为编译器将其优化了，干脆就不调用析构函数了
2. 而Pc有析构函数，编译器不会优化 ，释放空间就没有将其释放，所以报错
3. 而delete[] 实际上释放的位置，还会往前偏移四个字节再释放

五. 定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已分配的原始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(initialzer-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式构造函数进行初始化。

如以下代码：

#include<iostream>
using namespace std;

class Pc
{
public:
	Pc(int a=110,int b=42)
		: _a (a)
	, _b(b)
	{
		cout << "gz Pc 1111 ->" << this << endl;
	}
	~Pc()
	{
		cout << "xg2222" << this << endl;
	}
private:
	int _a = 110;
	int _b = 42;
};
int main()
{
	Pc* p1 = (Pc*)malloc(sizeof(Pc));
	new(p1)Pc(1,2);//如果Pc的构造函数有参数时，此处需要传参

	p1->~Pc();
	operator delete (p1);
	//delete p1;


	Pc* p2 = (Pc*)operator new(sizeof(Pc));
	new(p2)Pc;

	//operator delete (p2);
	delete p2;

	return 0;
}

operator new 与 operator delete 都是全局函数可以调用

六. malloc/free与new/delete的区别

1. 相同点

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。

2. 不同点

不同点如下

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只需要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的返回值是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不需要判空，但是new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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(๑′ᴗ‵๑)Ｉ Lᵒᵛᵉᵧₒᵤ❤