c++之内存管理

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c++之内存管理

1. c/c++内存分布

下面我们来看一个题来了解内存分布

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);
}
  1. 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？____
    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？____
  1. 答案
    CCCAA
    AAADAB
  1. 分析与总结
  • static修饰的变量放在带在静态区
  • 全局变量也是在静态区
  • 上面的char2是一个数组我们用常量字符串去拷贝一份给给它因此char2是在栈
    而pchar3是一个指针他指向一个常量字符串因此    pchar3是放在静态区

c/c++中程序内存划分

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。栈可以通过函数_alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放
  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。堆无法静态分配，只能
    动态分配
  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语言中动态管理方式

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 );
}
  1. malloc/calloc/realloc的区别？
  • malloc就是单纯的申请空间对空间没有任何操作
  • calloc就是把申请的空间刷初始化为0
  • realloc就是在空间需要扩容时使用这里扩容后的可能是原来的空间也可能是新开辟的空间
  1. malloc的实现原理 glibc中malloc实现原理

3. c++内存管理方式

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。

3.1new/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;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 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[]，匹配起来使用

3.2new和delete操作自定义类型

c
lass A
{ p
ublic:
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

4. operator new与operator delete函数

4.1 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

/
*
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)

总结：

  • 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。

下面我们来看看怎么捕获我们的异常

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int count = 1;
	try
	{
		while (1)
		{
			//每次申请1MB
			char* tem = new char[1024 * 1024];
			cout << count << "MB" << endl;
			count++;
		}
	}
	catch (const exception& e)
			{
				cout << e.what() << endl;
			}
	return 0;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 在32位下我们可以大概可以申请1.8G
  • 在64位下我们可以大概可以申请18G

为什么会有这样的差距呢？
下面我们来分析一下
在这里插入图片描述

  • 1 EB = 1,024 PB（Petabyte），1 PB = 1,024 TB（Terabyte），1 TB = 1,024 GB（Gigabyte）
  • 在计算机中我们对每一块一字节为单位的内存块进行了编号32位我们可以从00000000（这里表示16进制）编号到FFFFFFFF
  • 64位我们从0000000000000000到FFFFFFFFFFFFFFFF

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

下面我们来看一段代码

class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		:_a1(a1)
		, _a2(a2)
	{
		cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a1(aa._a1)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a1 = aa._a1;
		}
		return *this;
	}
	void Print()
	{
		cout << "A::Print->" << _a1 << endl;
	}

	A& operator++()
	{
		_a1 += 100;

		return *this;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};
class B
{
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()" << endl;
	}
private:
	int _b1 = 2;
	int _b2 = 2;
};

int main()
{
	B* p2 = new B[10];
	delete p2;
	A* p3 = new A[10];
	delete p3;
	return 0;
}

这里我们直接说结论程序出错在delete p2

  • 因为B里面实现了析构函数因此会多申请四字节来存储要析构的次数也就是说P2指向的空间是84字节也就是当我们delete p2;不会从头开始开始释放我们申请的空间因此出错，如果正确释放应该是delete []这样就会从p2的位置往前移动四个字节从头开始释放就对了。
  • p3指向的就只有80字节因为A中没有显示实现析构函数，所以编译器进行了优化就不调用析构函数因为没什么资源释放了这样就不会多开四字节了
  • 解决这里问题的就是delete与new要配套使用不要混用以免造成错误

6. 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

代码如下：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	delete p1;

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(1);

	p2->~A();
	operator delete(p2);

	return 0;
}

代码分析：

  • A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
    new(p2)A(1);就相当于A* p1 = new A(1);
    此外我们需要注意new(p2)A(1);就是相当于调用了构造函数也就是我们的定位new表达式
  • p2->~A();
    operator delete(p2);就相当于delete p1;

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：

  • malloc和free是函数，new和delete是操作符
  • malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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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