【C/C++】内存管理

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内存管理

一.C/C++内存分布

在这里插入图片描述

总结：

  1. 栈（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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
  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。

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

二.C++内存管理方式

  C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free。
  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、delete操作内置类型

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间，未初始化
	int* p1 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p2 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间，未初始化
	int* ptr1 = new int[10];

	//动态申请10个int类型的空间，并初始化前5个，后面默认为0
	int* ptr2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};

	delete p1;
	delete p2;
	delete[] ptr1;
	delete[] ptr2;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

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、delete操作自定义类型

#include<iostream>
using namespace std;

struct ListNode
{
	int val;
	ListNode* next;

	ListNode(int x)
		:val(x)
		,next(next)
	{}

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	//new对于自定义类型：调用构造函数
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);

	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;
	n4->next = nullptr;

	//delete对于自定义类型：调用析构函数
	delete n1;
	delete n2;
	delete n3;
	delete n4;

	return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;

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& a)
		:_a1(a._a1)
		, _a2(a._a2)
	{
		cout << "A(const A& a)" << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2;
};
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A(1, 2);

	//构造+拷贝构造：初始化3个自定义空间
	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };

	//构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数
	A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) }; //匿名对象

	//A aa1 = { 1,1 }; 隐式类型转换：构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数
	A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };

	//delete

	return 0;
}

总结：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，但内置类型是几乎是一样的。

3.32位、64位机器的区别

32位的描述

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	//malloc申请空间失败，返回NULL指针
	//new申请空间失败会抛出异常，需要捕捉异常
	//throw try/catch 如下：
	try
	{
		int n = 1;
		while (1)
		{
			// 1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024*1024*1024 Byte
			void* p1 = new char[1024 * 1024]; // 1 MB = 1024*1024 Byte
			cout << p1 << "->" << n << endl;
			++n;
		}
	}
	catch(const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

在这里插入图片描述

三.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)

  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。

四.new和delete的实现原理

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。

int main()
{
	int* p = new int(10);
	//free(p);
	delete(p);

	int* p1 = new int[10];// ->malloc
	//free(p1);
	delete(p1);// ->free
	
	//对于内置类型：delete与free互用都可行
}

2.自定义类型

1.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。

2.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。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public: 
    A(int a, int* ptr)
        : _a(a)
        , _ptr(ptr) 
    {}
    ~A()
    {
        delete _ptr;//释放_ptr指向的数据，防止内存泄漏
        cout << "~A():" << this << endl;
    }
private:
    int _a;
    int* _ptr;
};
int main()
{
    A* p1 = new A(1, new int(2)); 
    //free(p1); 不会调用析构函数，导致内存泄漏
    delete p1; //调用析构函数，防止内存泄漏

    return 0;
}

3.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。

4.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。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a = 2;
};
class B
{
public:
	B(int b = 2)
		:_b(b)
	{}
	~B()
	{}
private:
	int _b = 2;
};
int main()
{
	A* p1 = new A[10];
	B* p2 = new B[10];

	delete p1;   //未写析构函数，编译器做了优化
	//delete p2; //写了析构函数，编译器未做优化，程序崩溃
	delete[] p2; //正确的写法

	return 0;
}

总结：new与delete一定要匹配使用，不要错配，否则有程序崩溃的风险。

五.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（用operator new分盘空间）中调用构造函数初始化一个对象。

使用格式：

  1. new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)。
  2. place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表。
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);//先开空间，再调用构造函数初始化p1
	delete p1;//先调用析构函数，再释放p1

	A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));//只开空间，未调用构造函数（相当于malloc）
	new(p2)A(1);//调用构造函数初始化p2

	p2->~A();//调用析构函数
	operator delete(p2);//释放p2

	return 0;
}

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。

在这里插入图片描述

六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）

  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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