C++入门全集（5）：内存管理

news2024/11/20 18:48:05

前言

一、内存区域划分

二、C++的内存管理方式

2.1 对内置类型

2.2 对自定义类型

三、new和delete的底层实现

四、new和delete的原理

五、定位new

六、malloc/free和new/delete

前言

在C++中，内存管理是不可避免的一门必修课。C++对内存的自由度使其获得了更高的性能，以及更高的难度。内存泄漏往往是每个C++学习者绕不开的错误，而内存管理的水平高低也能看出一个编程者的能力。

在C语言中，我们学习了malloc、calloc、realloc和free，对C语言的内存管理也有了大致的接触。

本文中我们来学习C++中的内存管理

一、内存区域划分

C++中，程序的内存区域从低地址到高地址划分如下：

代码段：存储可执行程序的代码和只读常量
数据段：存储已初始化的全局变量和静态变量
堆：用于程序运行时动态内存分配，从低地址向高地址增长
栈：又叫堆栈，存储非静态局部变量/函数参数和返回值等，从高地址向低地址增长

例如：

globalVar是全局变量，staticGlobalVar是静态全局变量，存储在数据段中；

staticVar是静态局部变量，存储在数据段中；

localVar、num1、char2、pChar3和ptr1都是局部变量，存储在栈中；

*char2是在栈帧中的空间，存储在栈中；*pChar3是常量字符串abcd的第一个字符，在代码段中；

malloc动态开辟出的空间存储在堆上。

二、C++的内存管理方式

2.1 对内置类型

C++兼容C语言，所以C语言的内存管理方式在C++中可以正常使用

相比C语言使用malloc和free等函数进行内存管理，C++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

以上是C语言和C++动态申请一个类型大小的空间、多个类型大小的空间和内存释放的方式

实际上，面对内置类型，用malloc和new没有本质的区别，最大的区别在于：new可以初始化

在默认情况下，new和malloc一样不会对内置类型进行初始化，但是我们可以提出需求

注意区分初始化和申请多个元素，一个是圆括号一个是方括号

我们new一个数组时也可以进行初始化，例如：

C++不推荐使用malloc和free，我们最好使用new和delete，并且记得务必匹配使用。

对于内置类型，malloc和new区别不大。new是为了自定义类型而生的。

2.2 对自定义类型

我们在创建自定义类型对象的时候，需要调用析构函数，销毁时需要调用构造函数

而如果我们使用malloc和free的话，是不会调用这两个函数的。

使用new来为自定义类型对象申请空间，编译器才会调用构造函数为对象初始化；用delete为自定义类型对象释放空间，才会调用析构函数。

三、new和delete的底层实现

new和delete并不是函数，而是用户进行动态内存申请和释放的操作符。

但是其底层还是需要调用函数。

new在底层调用operator new这个函数来申请空间，delete在底层调用operator delete函数来释放空间。operator new和operator delete是系统提供的全局函数。

注意：这两个函数不是new和delete的重载函数！！！

虽然函数名中带operator，但并不是重载函数，具有很强的误导性。

我们来看看这两个函数的实现：

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);
}

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;
}

通过上面两个全局函数的实现，可以看出operator new实际上也是通过malloc来申请空间的，如果malloc申请空间成功就直接返回，如果失败则执行用户提供的应对措施，如果用户提供该措施则继续申请空间，否则抛出异常。

operator delete最终也是通过free来释放空间的。就像引用的底层也是用指针的方式实现的。

需要注意，构造函数和析构函数不是通过这两个函数来调用的。