C++中的动态内存管理

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1.C++中动态内存管理

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。

1.1 new/delete操作内置类型

  • c语言和c++的动态内存开辟对比
//c语言和c++的动态内存开辟对比
int main()
{
	//C语言的动态内存开辟
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int);
	if (p1 == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}

	//c++动态的内存开辟
	int* p2 = new int;//不会初始化
	int* p3 = new int(10);//初始化，一个int

	int* p4 = new int[10];//开辟10个int型的空间

	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3,4,5, };//开辟10个int型的空间并初始化为｛1，2，3，4，5，0，0，0，0，0，0｝


	free(p1);
	delete p2;
	delete p3;
	delete[] p3;
	delete[] p4;

	return 0;
}

image-20240327061718502.png

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。

  • malloc 和free ，new和delete，new [],delete[] 都要配对使用，如果交叉使用可能会有奇怪的问题。

1.2 new和delete操作自定义类型

  • C语言中动态内存开辟和c++中动态内存开辟的对比，当然c++兼容c的动态内存开辟。
class A
{
public:
 A(int a = 0)
 : _a(a)
 {
 cout << "A():" << this << endl;
     }
 ~A()
 {
 cout << "~A():" << this << endl;
 }
private:
 int _a;
};



struct ListNode
{
	int _val;
	ListNode* _next;

	ListNode(int val)
		:_val(val)
		, _next(nullptr)
	{}
};

//ListNode BuyListNode(int x)
//{
//	//...
//}

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;
    
 //与节点的对比，与c语言中
 ListNode* n1 = new ListNode(1);
 ListNode* n2 = new ListNode(2);
 ListNode* n2 = new ListNode(3);
 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。

2. operator new与operator delete函数

2.1 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，delete在底层通过

operator delete全局函数来释放空间.

  • operator new是个函数名，与运算符重载没有关系。
  • c++和c的内存泄漏都不会报错，都是自己管理的，要求你自己释放。java 有垃圾回收，在虚拟机实现，对象用完会自动释放，但是对性能有影响。
  • new的底层是operator new ，operator new的底层是malloc，delete同理。
/*
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语言和C++开辟空间的对比，new和malloc ，free和delete之间的对比
class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_a = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

class A
{

};
int main()
{
	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int));//开辟失败会抛出异常

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int));//开辟失败返回nullptr
	if (p2 == nullptr)
	{
		perror("malloc");
	}

	//申请空间-》调用构造函数
	//封装malloc到operator new，开辟失败抛出异常，所以new的底层还是mlloc只不过封装了一些异常，保持面向对象的特性
	A* p3 = new A;

	//先调用析构函数-》再释放p5的空间
	//operator delete
	delete p3;

	//operator new[] 调用了operator new,一样的
	A* p4 = new A[10];//调用10次构造函数

	//operator delete[] p4指向的空间。
	delete[] p4;//调用10次析构函数


	//这种不匹配不会报错，都是内置类型
	int* p5 = new int[10];
	free(p5);

	//这种不匹配不会报错，A没有资源释放
	A* p6 = new A;
	free(p6);//没有调用析构函数，但是类里面没有需要释放的内存，所以不会内存泄漏

	Stack st;//不用释放内存，因为这是自定义类型，生命周期结束会自动调用析构函数

	Stack* pst = new Stack;//
	delete pst;//先调用析构函数，再去释放pst指向的空间
	//free(pst);//只释放了pst指向的空间，没有调用析构函数释放类里面开辟的空间，而且c/c++都不会报错


	A* p7 = new A[10];
	//delete p7;//这个只会释放一个A的空间
	delete[] p7;

	//free(p7);//不会报错，会释放所有空间（这里可能有点问题，用到再看看）
	return 0;
}
  • delete调用析构函数的流程 和 自定义类型直接结束自己调用析构

image-20240330060359929.png

如果只delete一个A对象是从p9开始释放一个对象，但是如果有[]，它就会减一个位置，然后知道要释放10个对象，仅限vs编译器是这样

image-20240330060547444.png

3.new和delete的实现原理

3.1 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。

3.2 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

4. 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
  
 //对一块已有的空间初始化 --- 定位new
 //new(p1)A;
 p1->~A();
 free(p1);
    
 A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
 new(p2)A(10);
 p2->~A();
 operator delete(p2);
    
  return 0;
}

class A
{
public:
	A()
	{

	}
	A(int a)
	{
		
	}
};
int main()
{

	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	if (p1 == nullptr)
	{
		perror("malloc");
	}

	//对一块已有的空间初始化 --- 定位new
	//new(p1)A;
	new(p1)A(1);
	return 0;
    
   	A* p2 = new A;
	p1->~A();
	free(p1);

	delete p2;
}

程序需要频繁使用内存，就提出使用内存池的机制。

向操作系统的堆申请空间比较慢，因为操作系统所有的都向这里申请，如果想要快点，就建立一个内存池，有位置就申请，无位置就继续返回操作系统申请

image-20240330095144501.png

  • 以下是关于C/C++内存分布的更多信息和示例：
  1. 多线程与内存分布：在多线程环境中，每个线程都有自己的栈区，用于存储线程执行过程中的现场信息。而堆区和全局变量区则被所有线程共享。因此，在多线程编程中，需要注意同步和互斥机制的使用，以避免因多个线程同时访问同一块内存而导致的数据竞争。

示例：

#include <iostream>
#include <thread>
 
void thread_func() {
    std::cout << "Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << '\n';
}
 
int main() {
    std::thread t1(thread_func);
    std::thread t2(thread_func);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}
  1. 内存映射文件：内存映射文件是一种将磁盘文件映射到内存空间的技术。通过内存映射文件，程序可以直接访问文件内容，而无需通过传统的文件读写操作。这种技术可以提高程序的性能，简化文件操作。

示例：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
 
int main() {
    const char* filename = "example.txt";
    int fd = open(filename, O_RDONLY);
    void* map_ptr = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    int value = *(int*)map_ptr;
    std::cout << "Value from file: " << value << '\n';
    munmap(map_ptr, sizeof(int));
    close(fd);
    return 0;
}

以上示例和信息展示了C/C++内存分布的更多应用场景和技巧。如有更多问题，请随时提问。

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