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C/C++内存管理

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小志biubiu
发布2025-02-27 15:25:27
发布2025-02-27 15:25:27
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代码可运行
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代码可运行

一、C/C++内存分布

看一段代码,大家先来个选择题

代码语言:javascript
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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?____ 是不是有点乱,看一下图解吧。

【说明】

  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。

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

代码语言:javascript
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void Test ()
{
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么?
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗?
free(p3 );
}
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void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
void *realloc(void *ptr, size_t size);

1、malloc

是向堆区申请一块内存,如果分配成功:则返回指向被分配内存空间的指针,不成功,返回空指针NULL。

2、calloc

是在malloc的基础上对其分配的内存进行了初始化(一般都是0)

3、realloc

是在malloc的基础上增加了调整内存空间大小的功能,调整后如果调用成功,不管当前内存段后面的空空间是否满足要求,都会释放掉原来的指针,重新返回一个指针,虽然返回的指针有可能和原来的指针一样,即不能再次释放掉原来的指针。(即,上述代码不需要释放p2;) 如果当前内存段后有足够的空间,realloc()返回原来的指针。 我们在动态内存分配完后要尽量对其free并进行NULL的赋值。

三、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。

1、new和delete操作内置类型

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void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr4 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(3);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
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。

2、new和delete操作自定义类型

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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];
	free(p5);
	delete[] p6;
	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。

四、operator new与operator delete函数

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。

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/*
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,如果该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。

五、new和delete的实现原理

1、内设置类型

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。

2、自定义类型

2.1、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
2.2、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
2.3、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
2.4、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

六、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。

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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;
}

七、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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原始发表:2024-08-17,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 一、C/C++内存分布
  • 二、C语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free
    • 1、malloc
    • 2、calloc
    • 3、realloc
  • 三、C++内存管理方式
    • 1、new和delete操作内置类型
    • 2、new和delete操作自定义类型
  • 四、operator new与operator delete函数
    • 1、operator new与operator delete函数
  • 五、new和delete的实现原理
    • 1、内设置类型
    • 2、自定义类型
      • 2.1、delete的原理
      • 2.2、new T[N]的原理
      • 2.3、delete[]的原理
      • 2.4、new的原理
  • 六、定位new表达式(placement-new)
  • 七、malloc/free和new/delete的区别
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