C/C++内存管理 ——

news2024/11/15 11:16:49

目录

五、C/C++内存管理

1、C/C++内存分布

2、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

3、C++内存管理方式 

1.new/delete操作内置类型

2.new和delete操作自定义类型 

4、operator new与operator delete函数  

5、new和delete的实现原理  

1.内置类型

2.自定义类型

6、定位new表达式(placement-new) 

7、malloc/free和new/delete的区别

五、C/C++内存管理

1、C/C++内存分布 

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);
}

思考：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？选C           staticGlobalVar在哪里？选C        staticVar在哪里？选C            localVar在哪里？选A              num1 在哪里？选A                      char2在哪里？选A
*char2在哪里？选A                pChar3在哪里？选A                     *pChar3在哪里？选D                ptr1在哪里？选A                    *ptr1在哪里？选B

【说明】
  1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等。
  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。
  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。

2、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{
    // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);

    // 这里需要free(p2)吗？
    free(p3 );
}

calloc的作用：创建空间，然后初始化

【面试题】
1. malloc/calloc/realloc的区别？

malloc、calloc 和 realloc 都是 C 语言中的内存分配函数，它们的主要区别在于：

malloc()：分配指定大小的内存块，但不进行初始化，内存块中的内容是随机的。
calloc()：分配指定大小的内存块，并将其初始化为 0。
realloc()：重新分配已分配的内存块的大小。如果新的大小比旧的大小更大，则会分配新的内存块并复制旧内存块的内容到新的内存块中。如果新的大小比旧的大小更小，则会将旧内存块的内容复制到新的内存块中，并释放多余的内存。

2. malloc的实现原理？【CTF】GLibc堆利用入门-机制介绍_哔哩哔哩_bilibili

3、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。

1.new/delete操作内置类型

void Test()
{
    // 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];

    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
}

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[]，注意要匹配起来使用。

动态申请new一个数组，后面若没有想要放进去的数据的话，就以0来填充。

2.new和delete操作自定义类型 

class A
{
public:
    A(int a = 0)
    : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }

private:
    int _a;
};

int main()
{
    // 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
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1);
    free(p1);
    delete p2;

    // 内置类型是几乎是一样的
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;

    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
    A* p6 = new A[10];
    free(p5);
    delete[] p6;

    return 0;
}
注意：
         在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与
free不会。

        在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，若有定义中的缺省值，则在动态申请new一个数组，后面没有元素填充时，会自动将缺省值填充到数组里面去。

4、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。

以下是某个版本的原码：

/*
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。

5、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。

2.自定义类型

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。
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。
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。
3.operator new是malloc的封装，new T[N]是 operator new的封装，一层套一层。

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。
以下代码是抛异常的体现，执行到第五个时，就申请空间申请不了，会抛出异常： 
void Func()
{
    int* p1 = new int[1024 * 1024 * 100];
    cout << p1 <<endl;

    int* p2 = new int[1024 * 1024 * 100];
    cout << p2 <<endl;

    int* p3 = new int[1024 * 1024 * 100];
    cout << p3 <<endl;

    int* p4 = new int[1024 * 1024 * 100];
    cout << p4 <<endl;

    int* p5 = new int[1024 * 1024 * 100];
    cout << p5 <<endl;
}

int main()
{
    try
    {
        Func();
    }
    catch(const exception& e)
    {
        cout << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}

6、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中调用构造函数初始化一个对象。
使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
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。 
class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {
        cout << "A():" << this << endl;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A():" << this << endl;
    }

private:
    int _a;
};

// 定位new/replacement new
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));
    new(p2)A(10);
    p2->~A();
    operator delete(p2);

    return 0;
}

STL底层源码剖析：

注意：第一，不要忘记释放；第二，不要交错使用。

        若是注释部分运行，则是没有了构造和析构部分，使得operator new和operator delete部分成为野指针，指向随机值。

7、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：（从两个角度出发）
用法：
  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。
功能：
  1. 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。
  2. 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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