【C++语言】动态内存管理

news2024/11/19 21:20:51

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文章目录

  • 前言
  • 内存管理
    • 数据存储位置
    • C语言动态内存管理方式
    • C++动态内存管理方式：new/delete
    • operator new与operator delete函数
    • new和delete的实现原理
    • 定位new表达式（了解）
    • 常见面试题
  • 总结
  • C++语言系列学习目录

前言

本章要介绍的是动态内存管理：

  • 我们的定义的变量，储存位置在哪？
  • C动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
  • C++动态内存管理方式：new/delete
  • operator new与operator delete函数
  • new和delete的实现原理
  • 定位new表达式

内存管理

数据存储位置

不妨先来看看以下代码：看自己能否分清楚？

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？____

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

答案如下：
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如果有困难的话，就可以往下看了。

需要存储的一些数据它的存储方式如下：
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int globalVar = 1;					//全局变量
static int staticGlobalVar = 1;		//静态变量
 void Test()
 {
 static int staticVar = 1;			//静态变量
 int localVar = 1;					//局部变量
 int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };		//数组 在哪声明 内容就在哪
 char char2[] = "abcd";				//数组 在哪声明 内容就在哪
 const char* pChar3 = "abcd";		//指针数组 指针在声明，指向内容在常量区
 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//指针在栈上 指针内容在堆上
 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
 free(ptr1);
 free(ptr3);
 }

C语言动态内存管理方式

C语言的动态内存管理方式，我们其实已经了解了：malloc/calloc/realloc/free。就不过多介绍了，通过一个面试题来测试下自己的掌握情况： 【面试题】malloc/calloc/realloc的区别？

C++动态内存管理方式：new/delete

  1. 内置类型：
void Test1()
{
	//malloc~free
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2= (int*)malloc(sizeof(int));
	if (ptr2 != NULL)
		*ptr2 = 10;
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
	free(ptr1);
	free(ptr2);
	free(ptr3);

	//new~delete
	// 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];
	//动态申请4个int类型的空间并初始化为1,2，3,4
	int* ptr7=new int[4]{1,2,3,4};
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
}

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其实不难发现malloc和new在内置类型上都只是开辟空间，差别其实不大，最多就是多写几行代码。

  1. 自定义类型：
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
void Test2()
{
	//new~delete除了开辟空间，还会调用自定义类型的构造和析构函数。
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
}

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从上方反汇编代码，我们可以清楚的看到，new调用了构造函数而delete调用了析构函数。而malloc和free并不会，这也是new和malloc的最大区别。

operator new与operator delete函数

那为什么有这样的区别呢？C语言过渡到C++，malloc到new，这会不会有什么关联呢？答案是肯定的。

1.new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符
2. operator new 和operator delete是系统提供的全局函数
3.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。
4. operator new底层是mallocl来申请空间的，operator delete底层也是通过free来释放空间的

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我们进入封装内容看下：
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不信，我们来看看operator new代码呗：

//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

new和delete的实现原理

  • 整体过程：
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    new的实现：
  • 开辟空间：调用operator new 开辟空间，开辟的是自定义类型大小的空间；
  • 构造函数：主要是申请资源，也就是_array的空间申请；
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    delete的实现:
  • 析构函数：先释放_array申请的资源；
  • 释放空间：然后调用operator delete释放自定义类型空间;
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补充：

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

定位new表达式（了解）

注意：这已经不是new了，而是new这个关键字的一个用法

new可以显示调用构造函数和析构函数，以下代码为定位new来模拟new和delete的实现过程。

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
	p1->~A();
	free(p1);

	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A)); //开辟空间
	new(p2)A(10);	//显式调用构造函数
	p2->~A();		//显式调用析构函数
	operator delete(p2); 				 //释放空间
	return 0;
}

常见面试题

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：

  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

总结

本节主要是介绍空间内的存储，以及一些管理动态内存的方法。最重要的是new和delete的用法以及它的原理。

C++语言系列学习目录

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