【C++】9.内存管理

文章目录

• 1. C/C++内存分布
• 2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
• 3. C++内存管理方式
• • 3.1 new/delete操作内置类型
• 3.2 new和delete操作自定义类型
• 4. operator new与operator delete函数（重点）
• • 4.1 operator new与operator delete函数（重点）
• 5. new和delete的实现原理
• • 5.1 内置类型
  • 5.2自定义类型
• 6. 定位new表达式(placement-new) （了解）
• 7. malloc/free和new/delete的区别

1. 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);
}

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？ 数据段(静态区)

staticGlobalVar在哪里？ 数据段(静态区)

staticVar在哪里？ 数据段(静态区)

localVar在哪里？ 栈

num1 在哪里？ 栈

---

char2在哪里？ 栈

*char2在哪里？ 栈

pChar3在哪里？ 栈

*pChar3在哪里？ 代码段(常量区)

ptr1在哪里？ 栈

*ptr1在哪里？ 堆

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共享内存，做进程间通信。
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。

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

void Test ()
{
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
/*
malloc (memory allocate): 这个函数用于动态分配一块指定大小的内存区域。它不会初始化这块内存，所以分配的内存中的内容是不确定的。
函数原型为 void* malloc(size_t size)其中 size 是需要分配的字节数。

calloc (contiguous allocate): 这个函数也是用来分配内存的，但它会将分配的内存初始化为零。
calloc 接受两个参数：第一个是要分配的元素数量，第二个是每个元素的大小。函数原型为 void* calloc(size_t num, size_t size)

realloc (reallocate): 这个函数用于调整之前通过 malloc, calloc, 或 realloc 分配的内存块的大小。
如果新大小大于原大小，realloc 可能会将内存块移动到新的位置（这意味着原指针将不再有效）。如果新大小小于原大小，realloc 可能会缩小内存块而不移动它。
函数原型为 void* realloc(void* ptr, size_t new_size) 
*/
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);

// 这里需要free(p2)吗？
/*
p2 是通过 calloc 分配的，然后 p3 是通过 realloc 调整 p2 的大小得到的。
当使用 realloc 调整内存大小后，原来的指针（在这个例子中是 p2）就不再有效了，因为 p3 可能指向了一个新的内存地址。
因此，应该只对 realloc 返回的新指针（p3）调用 free() 来释放内存。对 p2 调用 free() 是不正确的，因为 p2 已经不再指向有效的内存块了。
*/
    free(p3);
}

问题：

1. malloc/calloc/realloc的区别？

2. malloc的实现原理？

   glibc中malloc实现原理

3. 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。

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
    int* ptr4 = new int;
    delete ptr4;

    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
    int* ptr5 = new int(10);
    delete ptr5;

    // 动态申请10个int类型的空间
    int* ptr6 = new int[3];
    int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};//C++11后才有的
    int* ptr8 = new int[5]{1,2,3};

    delete[] ptr6;
    
}

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。

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 = new A(1);
    free(p1);
    delete p2;
    // 内置类型是几乎是一样的
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;
    
    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
    A* p6 = new A[10];//调用10次构造
    free(p5);
    delete[] p6;//调用10次析构
    
    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。

new/delete：只申请/释放空间

malloc：申请空间+构造函数

free：析构函数+释放空间

4. operator new与operator delete函数（重点）

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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然后调用构造函数，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间然后调用析构函数。

operator new本质上是对new的封装，operator delete本质上是delete的封装。

operator new不调用构造函数，operator delete不调用析构函数。

/*
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。

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new(地址)初始化的对象(参数)
    p1->~A();
    free(p1);
    
    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);
    
    return 0;
}

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