【C/C++】——小白初步了解——内存管理

news2024/11/29 14:56:02

目录

1. C/C++内存分布

代码区（Code Segment）：

数据区（Data Segment）：

堆区（Heap）：

栈区（Stack）：

常量区（Constant Segment）：

2. C语言中动态内存管理方式

1.malloc(size_t size)：

2.calloc(size_t nmemb, size_t size)：

3.*realloc(void ptr, size_t size)：

4.*free(void ptr)：

3. C++中动态内存管理

1.new：

2.delete：

4. operator new与operator delete函数

5. new和delete的实现原理

6. 定位new表达式(placement-new)

7. 常见面试题

1.解释C++中new和malloc的区别

2.什么是内存泄漏？如何避免？

3.解释C++中的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）

4.解释栈区和堆区的区别

5.如何实现自己的内存池？

1. C/C++内存分布

一个典型的C/C++程序在内存中的布局如下：

  1. 代码区（Code Segment）：

    • 存储程序的机器指令，由编译器生成。
    • 该区域通常是只读的，以防止程序在运行时修改自身的指令。
    • 代码区在程序加载时被操作系统加载到内存中。

  2. 数据区（Data Segment）：

    • 存储全局变量和静态变量，包括已初始化和未初始化的变量。
    • 数据区又分为两部分：
      • 已初始化数据区（Initialized Data Segment）： 存储程序中已初始化的全局变量和静态变量。
      • 未初始化数据区（Uninitialized Data Segment or BSS）： 存储未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时这些变量会被初始化为0。

  3. 堆区（Heap）：

    • 用于动态内存分配，大小不固定，可以在程序运行时动态地增长或缩小。
    • 由程序员手动管理内存的分配和释放。常用的函数有 malloc() 和 free()。
    • 堆区的内存分配效率较低，但灵活性高。

  4. 栈区（Stack）：

    • 用于函数调用时的临时存储，包括函数的局部变量、参数和返回地址。
    • 栈区的内存由编译器自动分配和释放，具有后进先出的特点。
    • 栈区内存分配效率高，但大小有限，通常由操作系统决定。

  5. 常量区（Constant Segment）：

    • 存储常量数据，如字符串字面量和常量变量。
    • 通常也是只读的，以保护常量数据不被修改。

2. C语言中动态内存管理方式

在C语言中，动态内存管理主要通过以下几个函数实现：

1.malloc(size_t size)：

  • 功能：分配指定大小的字节，并返回一个指向这块内存的指针。

  • 特点：分配的内存未初始化，内容是随机的。

  • #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    free(arr);
    return 0;
}

    2.calloc(size_t nmemb, size_t size)：

  • 功能：分配nmemb个元素，每个元素size字节，并初始化所有分配的字节为0。

  • 特点：分配的内存被初始化为0，适合分配需要清零的数组。

  • #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr = (int *)calloc(10, sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    free(arr);
    return 0;
}

    3.*realloc(void ptr, size_t size)：

  • 功能：调整之前分配的内存块的大小。

  • 特点：如果新大小大于原大小，新分配的内存区域中的内容是不确定的；如果新大小小于原大小，超出的内容将被丢弃。

  • #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    arr = (int *)realloc(arr, 10 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    for (int i = 5; i < 10; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    free(arr);
    return 0;
}

    4.*free(void ptr)：

  • 功能：释放之前分配的内存块，使其可以重新分配。

  • 特点：释放后，指针ptr不再指向有效的内存区域，应该将ptr置为NULL以防止野指针错误。

  • #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    free(arr);
    arr = NULL;
    return 0;
}

    3. C++中动态内存管理

    在C++中，动态内存管理不仅可以使用C语言的函数（如malloc、calloc等），还提供了更高级的 new 和 delete 运算符：

  • 1.new：

    • 功能：分配指定类型的内存，并调用该类型的构造函数。

    • 示例代码：

      #include <iostream>

int main() {
    int *arr = new int[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    delete[] arr;
    return 0;
}

      2.delete：

  • 功能：释放用new分配的内存，并调用该类型的析构函数。
#include <iostream>

int main() {
    int *arr = new int[10];
    delete[] arr;
    return 0;
}

在C++中，使用 new 和 delete 操作符进行内存管理比使用C语言中的函数更方便，因为它们不仅分配和释放内存，还自动调用构造函数和析构函数，确保对象在创建和销毁时执行必要的初始化和清理工作。

4. operator new与operator delete函数

C++中，operator new 和 operator delete 是为对象分配和释放内存的函数。它们类似于 malloc 和 free，但有一些重要区别：

  • operator new：

    • 功能：分配指定大小的内存，但不调用构造函数。

    • 通常在类的new运算符中隐式调用。

    • #include <iostream>

void* operator new(size_t size) {
    std::cout << "Custom new for size " << size << std::endl;
    return malloc(size);
}

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    std::cout << "Custom delete" << std::endl;
    free(ptr);
}

int main() {
    int *p = new int(10);
    delete p;
    return 0;
}

    • operator delete：

      • 功能：释放用 operator new 分配的内存，但不调用析构函数。
      • 通常在类的delete运算符中隐式调用。

    • 可以重载这两个函数以定制内存分配行为。例如，在需要跟踪内存分配和释放的场景中，可以重载 operator new 和 operator delete 以记录每次内存操作的日志。

      5. new和delete的实现原理

      new 和 delete 的实现可以分为两个步骤：

    • new：

      • 调用 operator new 分配内存。
      • 在分配的内存上调用构造函数初始化对象。

    • delete：

      • 在内存上调用析构函数销毁对象。
      • 调用 operator delete 释放内存。

    • 示例代码展示了new和delete的工作机制：

      #include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "Constructor called" << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "Destructor called" << std::endl;
    }
};

int main() {
    MyClass *obj = new MyClass();
    delete obj;
    return 0;
}

在上面的代码中，当我们使用 new MyClass() 创建对象时，首先调用 operator new 分配内存，然后在分配的内存上调用 MyClass 的构造函数。当我们使用 delete obj 删除对象时，首先调用 MyClass 的析构函数，然后调用 operator delete 释放内存。

6. 定位new表达式(placement-new)

placement new 是C++中的一个高级特性，用于在已分配的内存上构造对象。它不会分配新的内存，只是调用对象的构造函数。

#include <iostream>

int main() {
    char buffer[sizeof(int)];
    int *p = new (buffer) int(5); // 在buffer中构造int
    std::cout << *p << std::endl;
    p->~int(); // 手动调用析构函数
    return 0;
}

在上面的代码中，我们在预先分配的内存 buffer 中使用 placement new 构造了一个 int 对象。这种技术通常用于自定义内存池或优化程序性能。

7. 常见面试题

1.解释C++中new和malloc的区别

  • new：
    • 分配内存并调用构造函数初始化对象。
    • 返回对象的指针。
    • 可以重载。
    • 用于分配类对象。
  • malloc：
    • 仅分配内存，不调用构造函数。
    • 返回 void* 类型的指针，需要类型转换。
    • 不能重载。
    • 用于分配任意类型的内存。

2.什么是内存泄漏？如何避免？

  • 内存泄漏： 是指程序在分配内存后，未能正确释放已分配的内存，导致内存无法被重新利用。
  • 避免方法：
    • 使用智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）来自动管理内存。
    • 确保每个 malloc 对应一个 free，每个 new 对应一个 delete。
    • 使用工具如 Valgrind 进行内存泄漏检测。

3.解释C++中的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）

  • RAII： 是一种编程习惯，即资源的获取和释放通过对象的构造函数和析构函数来管理。
  • 示例： 
    #include <iostream>
#include <memory>

class Resource {
public:
    Resource() { std::cout << "Resource acquired" << std::endl; }
    ~Resource() { std::cout << "Resource released" << std::endl; }
};

void useResource() {
    std::unique_ptr<Resource> res(new Resource());
    // 使用资源
}

int main() {
    useResource();
    return 0;
}

    4.解释栈区和堆区的区别

    • 栈区：
      • 用于存储函数调用的局部变量。
      • 内存由编译器自动分配和释放。
      • 具有后进先出的特点。
      • 内存分配效率高，但大小有限。
    • 堆区：
      • 用于动态内存分配。
      • 内存由程序员手动分配和释放。
      • 大小不固定，可以动态增长或缩小。
      • 内存分配效率较低，但灵活性高。

5.如何实现自己的内存池？

内存池是一种预分配大块内存以减少多次分配开销的方法。可以通过链表管理内存块，分配时从链表中取出一块内存，释放时将内存块重新挂回链表。

#include <iostream>
#include <vector>

class MemoryPool {
    std::vector<void*> pool;
public:
    MemoryPool(size_t size, size_t count) {
        for (size_t i = 0; i < count; ++i) {
            pool.push_back(malloc(size));
        }
    }

    void* allocate() {
        if (pool.empty()) return malloc(1); // 返回新分配内存
        void* ptr = pool.back();
        pool.pop_back();
        return ptr;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        pool.push_back(ptr);
    }

    ~MemoryPool() {
        for (auto ptr : pool) {
            free(ptr);
        }
    }
};

int main() {
    MemoryPool pool(256, 10);
    void* p1 = pool.allocate();
    pool.deallocate(p1);
    return 0;
}

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