【c++】c/c++内存管理

hello~ 很高兴见到大家! 这次带来的是C++中关于内存管理这部分的一些知识点,如果对你有所帮助的话,可否留下你的三连呢? 个 人 主 页: 默|笙

一、c/c++内存管理

c++与c语言的内存分布差不多，如下图：

在这里插入图片描述

• *char2 在栈上：char2 是一个数组，它会把后面的字符串常量拷贝一份放到数组中，而数组存放在栈上。
• *pChar3 在代码段：pChar3是一个指针变量指向字符串常量的首字母地址，而字符串常量存储在代码段。

二、c++内存管理方式

引入：c语言是通过 malloc、calloc、realloc、free来实现动态内存分配的。而C++在保留C风格内存管理的同时，引入了面向对象特性和更安全的动态内存管理机制 new 与 delete操作符，显著提升了代码的安全性和便捷性。

2.1 new操作符

2.1.1 格式

在这里插入图片描述

1. 申请单个：类型* 指针名 = 操作符 类型（初始化）；
2. 申请多个：类型* 指针名 = 操作符 类型[对象个数/数组大小]{初始化列表}

2.1.2 讲解

1. new 操作符主要会完成 2 个工作，一个是申请空间，一个是调用构造函数。

1. 对于内置类型，只用申请空间构造数组，其没有构造函数可调用。
2. 对于自定义类型，不仅需要为对象分配内存，还会强制调用构造函数。
3. 自定义类型数组里的每个元素都会调用构造函数，有 n个元素，对应就会调用n次构造函数。对于 new[ ]。new 会调用一次。
4. 关于初始化问题：

未初始化的动态内存：

1. 基本类型： 默认初始化：动态分配的基本类型变量的值是未定义的，即随机值。
2. 自定义类型 默认初始化：调用默认构造函数。

显式初始化中动态数组的初始化：

1. 若初始化列表元素数量 < 数组大小，剩余元素值会值初始化。

• 基本类型：剩余元素值初始化为0。
• 自定义类型：调用默认构造函数。

1. 若初始化列表元素数量 > 数组大小，编译错误。
2. 若完全忽略初始化列表，默认初始化。
3. 对于自定义类型调用构造函数问题：

自动调用：不传参数，自动调用默认构造函数。 显式调用：无论构造函数的参数个数，都会通过创建匿名对象显式/隐式调用构造函数：

class MyClass
{
public:
	MyClass(int a = 1, int b = 1)
	{
		_a = a;
		_b = b;
	}
private:
	int _a = 0;
	int _b = 0;
};

int main()
{
	MyClass* arr1 = new MyClass[3];      // 为每个元素调用默认构造函数
	MyClass* arr2 = new MyClass[3]{};    // 同上（显式值初始化）
	//显式匿名对象
	MyClass* arr3 = new MyClass[3]{ MyClass(1, 2), MyClass(2, 3) }; // 前两个显式调用构造函数，第三个默认构造
	//隐式匿名对象
	MyClass* arr4 = new MyClass[3]{ {1, 2}, {2, 3} }; 
	//前两个隐式调用构造函数，第三个默认构造
	//这里还有编译器的优化，构造+ 拷贝构造优化为直接构造
	return 0;
}

1. new 如果申请空间失败，不会返回 nullptr空指针，而是会抛异常。

2.2 delete操作符

2.2.1 格式

1. delete 指针名 —>完成对单个类型空间的释放。
2. delete[] 指针名 —>完成对多个类型空间的释放。
3. 完成释放之后，建议对指针置空。

delete 指针名;
delete[] 指针名;
指针名 = nullptr;

2.2.2 讲解

1. delete 操作符主要完成两个工作，一个是调用析构函数，一个是释放内存。

对于内置类型：只用释放内存，没有析构函数可调用。 对于自定义类型：先调用析构函数，而后释放内存。

1. 自定义类型数组里的每个元素都会调用析构函数，有n个元素，对应就会调用n次析构函数。对于 delete[ ]。delete 会调用一次。

三、operator new函数和 operator delete函数

1. operator new 函数和 operator delete 函数是系统提供的全局函数。
2. new 在申请内存的时候在底层会调用 operator 函数，delete 在释放内存的时候在底层会调用 operator delete 函数。
3. operator new函数和 operator delete函数其实可以认为是 malloc 与 free 的重载函数，完成了对 malloc 和 free 的封装工作，它们就是 malloc 与 free 的plus版本。

• new 表达式不需要显式的指针类型转换，是因为编译器在底层自动完成了这一工作。如果手动调用 operator new 函数，就必须得显式转换了。

//通过malloc来申请空间
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;
}

四、new 与 delete 实现原理讲解

4.1 实现原理

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。

2.自定义类型

1. new 会先调用一次 operator new 函数，再调用一次构造函数。
2. new[ ] 会先调用一次 operator new 函数（仅一次），再根据元素个数调用构造函数（n次）。
3. delete 会先调用一次析构函数，再调用一次 operator delete 函数释放内存。
4. delete[ ] 会根据元素个数调用析构函数（n次），再调用一次 operator delete 函数释放内存（仅一次）。

2.3 搭配问题

1. new 与 delete 搭配使用，new[ ] 与 delete[ ]搭配使用，malloc 与 free搭配使用。

1. 混用 new 和 delete[]:

MyClass* obj = new MyClass();  // 分配单个对象
delete[] obj;  // 错误！可能重复调用析构函数（未定义行为），可能导致程序崩溃。

后果：若 MyClass 的析构函数释放资源，重复调用会导致资源破坏。

1. 混用 new[] 和 delete：

MyClass* arr = new MyClass[3];  // 分配数组
delete arr;  // 错误！仅调用第1个元素的析构函数，剩余元素内存泄漏

后果：仅释放数组首元素，剩余对象的析构函数未被调用，导致资源泄漏。

1. 对内置类型混用 new[ ] 与 free： 因为内置类型不用调用析构函数，某些编译器下这样也可以，但存在巨大风险，而对于像 vs 这样的，是不被允许的。

原因：

在这里插入图片描述

• 其实对于 new[ ] 与 delete混用在 vs里面也会发生这个问题。

五、malloc/free 与 new/delete 的区别

今天的分享就到此结束啦,如果对读者朋友们有所帮助的话,可否留下宝贵的三连呢~~ 如果可以, 那就让我们共同努力, 一起走下去!