C++奇迹之旅：C++内存管理的机制初篇

news2024/12/23 16:48:58

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文章目录

  • 📝C/C++内存分布
  • 🌠 C语言中动态内存管理方式
    • 🌉C++内存管理方式
  • 🌠new/delete操作内置类型
    • 🌉C与C++链表构建对比
  • 🚩总结

📝C/C++内存分布

这是C/C++中程序内存区域划分图：
在这里插入图片描述
数据段：也叫静态数据段或初始化数据段，用于存储程序中的全局变量和静态变量，这些变量在程序启动时就已经分配好内存空间并初始化。
代码段：也叫文本段或指令段，用于存储程序的可执行指令代码。
这部分内存区域通常是只读的,程序在运行时不能修改代码段中的内容。

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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？C staticGlobalVar在哪里？C
    staticVar在哪里？C localVar在哪里？A
    num1 在哪里？A

char2在哪里？A *char2在哪里？_A
pChar3在哪里？A *pChar3在哪里？D
ptr1在哪里？A *ptr1在哪里？B

  1. 全局变量 globalVar 和 staticGlobalVar 都存储在数据段(静态区)中。全局变量globalVar 的生命周期贯穿整个程序的执行过程,直到程序结束，静态全局变量 staticGlobalVar 的作用域仅限于当前源文件,其生命周期也贯穿整个程序的执行过程。

  2. staticVar 是静态局部变量，也存储在数据段(静态区)中。

  3. localVar 是普通的局部变量，存储在栈中，栈是一种后进先出(LIFO)的数据结构,用于存储函数调用时的局部变量和返回地址等信息，当函数调用结束时，栈中分配给该函数的内存空间会被自动释放。

  4. 局部数组 num1 存储在栈中，数组在内存中是连续分布的,因此 num1 占用了一块连续的栈空间。

  5. *char2 和 char2 在栈中，
    *char2：char2[] 是一个局部字符数组,存储在栈上。当你使用字符串字面量初始化它时,编译器会在栈上分配足够的内存空间,并将字符串字面量的内容(包括结尾的 \0)复制到这块内存中,所以 *char2 指向的是存储在栈上的可修改的字符数组。
    *pChar3：const char* pChar3 = "abcd"; 中的字符串字面量 "abcd" 存储在只读的数据段(常量区)中。而pChar3 本身是一个指针变量,存储在栈上,它指向常量区中的字符串。由于字符串字面量是只读的,所以通过 *pChar3 我们只能读取字符串的内容,而不能修改它。
    在这里插入图片描述

  6. *pChar3 在栈中, pChar3 在代码段(常量区)，指针变量 pChar3 存储在栈中，*pChar3 指向一个字符串常量,该字符串常量存储在代码段(常量区)中，代码段(常量区)用于存储程序中的常量数据,如字符串常量、枚举常量等。这些常量在程序执行期间不会被修改。

  7. ptr1 是局部指针变量，存储在栈上

  8. *ptr1 指向的内容，就是malloc分配的内存，该内存在堆上

总结：

  1. 栈(Stack): 用于存储函数调用时的上下文信息,如返回地址、函数参数和局部变量，遵循先进后出(LIFO)的原则，大小有限,如果使用不当可能导致栈溢出
  2. 堆(Heap): 用于动态分配内存,存储动态分配的对象和数据结构，开发者需要手动管理堆上的内存,分配和释放，大小一般比栈要大得多,但访问速度相对较慢
  3. 数据段(Data Segment): 分为初始化的数据段(.data)和未初始化的数据段(.bss)用于存储全局变量和静态变量，这些变量的生命周期贯穿整个程序执行期
  4. 代码段(Code Segment): 存储可执行的机器指令，通常是只读的,以保护程序代码不被意外修改，存着可执行的代码/只读常量。

填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

  1. sizeof(num1) = 40;
    num1 是一个包含 10 个 int 类型元素的数组,每个 int 类型占 4 个字节,所以数组大小为 10 * 4 = 40 字节。
  2. sizeof(char2) = 5; strlen(char2) = 4;
    • char2 是一个包含 5 个字符(包括结尾的 '\0')的字符数组,所以 sizeof(char2) 为 5 字节。
    • strlen(char2) 返回字符串的长度,不包括结尾的 '\0'，所以为 4。
  3. sizeof(pChar3) = 8; strlen(pChar3) = 4;
    • pChar3 是一个指向字符串常量 "abcd" 的指针,在 32 位系统上,指针大小为 4 字节。在 64 位系统上,指针大小为 8 字节。
    • strlen(pChar3) 返回字符串的长度,不包括结尾的 '\0'，所以为 4。
  4. sizeof(ptr1) = 8;
    • ptr1 是一个指向动态分配的 int 类型数组的指针,在 32 位系统上,指针大小为 4 字节。在 64 位系统上,指针大小为 8 字节。

sizeof 和 strlen 区别？
sizeof 和 strlen 是两个不同的操作符/函数,sizeof 是一个编译时操作,返回变量或数据类型的大小;而 strlen 是一个运行时函数,返回字符串的长度。

  1. sizeof: sizeof 是一个操作符,用于获取变量或数据类型的大小(以字节为单位)，它在编译时就确定了返回值,不需要在运行时计算，对于数组,sizeof 返回整个数组的大小,而不是单个元素的大小，对于指针,sizeof 返回指针本身的大小,而不是它所指向的对象的大小。

示例:

char str[] = "hello";
printf("Size of str: %zu\n", sizeof(str)); // 输出: 6 (包括'\0')
printf("Size of char: %zu\n", sizeof(char)); // 输出: 1
  1. strlen:strlen 是一个函数,用于计算字符串的长度(不包括结尾的 '\0' 字符)，它在运行时计算字符串的长度,需要遍历整个字符串，对于数组,strlen 只能用于字符数组(字符串),不能用于其他类型的数组，对于指针,strlen 可以计算指针所指向的字符串的长度。
    示例:
char str[] = "hello";
printf("Length of str: %zu\n", strlen(str)); // 输出: 5

🌠 C语言中动态内存管理方式

  1. malloc:
    语法：void* malloc (size_t size);
    功能：动态分配指定大小的内存块,并返回指向该内存块的指针, 分配的内存块内容是未初始化的。
    使用方法：
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
if (ptr == NULL) 
{
    // 内存分配失败,处理错误
    return;
}
// 使用分配的内存
// ...
free(ptr); // 释放内存
  1. calloc:
    语法：void* calloc (size_t num, size_t size);
    功能：动态分配指定数量和大小的内存块,并返回指向该内存块的指针，分配的内存块内容会被初始化为0。
    使用方法：
// 分配 4 个 int 型元素的内存,并初始化为 0
int *ptr = (int *)calloc(4, sizeof(int));
if (ptr == NULL) {
    // 内存分配失败,处理错误
    return;
}
// 使用分配的内存,所有元素都被初始化为 0
// ...
free(ptr); // 释放内存
  1. realloc:
    语法：void* realloc (void* ptr, size_t size);
    功能：调整已分配内存块的大小,并返回指向新内存块的指针。
    • 如果新大小小于原大小,则保留原有数据;如果新大小大于原大小,则原有数据会被保留,新增部分为未初始化。
    • 如果ptr为NULL,则等同于malloc(size)。
      使用方法：
// 先分配 4 个 int 型元素的内存
int *ptr = (int *)malloc(4 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) 
{
    // 内存分配失败,处理错误
    return;
}
// 使用分配的内存
// ...
// 重新分配为 8 个 int 型元素的内存
int *new_ptr = (int *)realloc(ptr, 8 * sizeof(int));
if (new_ptr == NULL) 
{
    // 内存重新分配失败,处理错误
    free(ptr); // 释放原有内存
    return;
}
ptr = new_ptr; // 更新指针
// 使用新分配的内存
// ...
free(ptr); // 释放内存
  1. free:
    语法：void free (void* ptr);
    功能：释放动态分配的内存块,将其返回给操作系统。注意：必须确保释放的内存块是之前使用malloc/calloc/realloc动态分配的。
    • 如果ptr为NULL,则该函数不执行任何操作。
      使用方法：
int *ptr = (int *)malloc(4 * sizeof(int));
if (ptr == NULL) 
{
    // 内存分配失败,处理错误
    return;
}
// 使用分配的内存
// ...
free(ptr); // 释放内存
// 不能再访问已释放的内存

常见注意要点：

  1. 动态分配的内存必须在使用完毕后及时释放,否则会导致内存泄漏。
  2. 不能访问已经释放的内存块,否则会出现未定义行为。
  3. 如果分配失败,这些函数会返回NULL指针,需要进行错误处理。

🌉C++内存管理方式

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。

#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	free(ptr);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	//判断是否成功开辟空间，每个还需要检查
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr, 8 * sizeof(int));
	free(ptr3);
	return 0;
}

🌠new/delete操作内置类型

在 C++ 中,new 和 delete 操作符用于动态内存分配和释放。当使用这些操作符时,需要注意以下几点:

内置类型:

  • 对于内置类型(如 int、double、char 等),使用 new 和 delete 操作符与使用 malloc 和 free 函数的效果是相同的。
  • 例如:
 int* ptr = new int;  // 分配一个 int 类型的内存空间
 delete ptr;         // 释放 ptr 指向的内存空间

分配内存，但没有初始化
在这里插入图片描述

  • 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr2 = new int(10);
delete ptr2;

在这里插入图片描述

动态申请10个int类型的空间，并释放

 int* arr = new int[10];  //  动态申请10个int类型的空间
 delete[] arr;           // 释放 arr 指向的数组内存空间

当然，我们也可以开辟空间的时候，又进行初始化

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr3 = new int[10]{ 2,3,4,5,5 };
	delete[] ptr3;

	return 0;
}

这样一部分初始化想要的值，后面默认初始化为0
在这里插入图片描述

  • 使用 new和 delete操作符时,编译器会自动调用构造函数和析构函数,但对于内置类型来说,这些函数是空操作。
    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。
    在这里插入图片描述

🌉C与C++链表构建对比

C语言构造链表节点的方式：

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _data;
};

struct ListNode* LTCreateNode(int x)
{
	struct ListNode* newnode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
	if (newnode == NULL) 
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->_data = x;
	newnode->_next = NULL;

	return newnode;
}

这是C++的实现：

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _data;

	ListNode(int data)
		:_next(nullptr)
		, _data(data)
	{}
};

在这里插入图片描述
前面我们知道new不仅会开空间，还会调用构造函数，析构函数的目的是初始化，delete会调用析构函数，因此即使是自定义类型，也可以使用new开空间并初始化。
因此，只要我们写好构造函数，new的使用是真香啊

🚩总结

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