【C++】 C C++ 内存管理

news2024/9/20 10:42:31

文章目录

  • 📕 C、C++ 内存分布
  • 📕 C++ 内存管理方式
    • 1. 操作内置类型
    • 2. 操作自定义类型
  • 📕 operator new 与 operator delete
  • 📕 定位 new

📕 C、C++ 内存分布

C 和 C++ 的内存分布没什么区别,C++ 是基于 C 语言的,如下:

  1. 又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等,栈是向下增长的。
  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. 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

📕 C++ 内存管理方式

对于C语言内存管理方式,无疑就是 malloc、calloc、realloc、free 几个动态内存函数
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. 操作内置类型

如下,以 int 类型为例。进行了申请一个空间、申请一个空间并初始化、申请3个空间、申请三个空间并初始化,释放空间的例子。
与 malloc 不同的是,用 new 动态申请空间,可以直接初始化。而不是像 C 语言的malloc(不可以初始化)、calloc(全初始化为0),new可以初始化为任意的值。

值得注意的是,如果只申请了一个空间,初始化是用圆括号,如果申请多个空间,初始化是用花括号
同时,释放空间的时候,如果释放的是超过一个空间,delete后面要紧跟着方括号。

void Test()
{
    // 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
    // 动态申请3个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[3];
    // 动态申请4个int类型的空间并初始化
	int* ptr4 = new int[4] {2891};
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
}

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。

2. 操作自定义类型

如下代码,对于自定义类型,可以用 malloc 和 new 做对比,delete 和 free 做对比,单步调试查看控制台输出结果,发现:new 会调用构造函数,delete 会调用析构函数。malloc并不会,只是单纯地开辟空间,free也只是单纯释放空间。

这样的话,对于内置类型,其没有构造函数和析构函数,所以是用混着用不会产生什么太大的bug。(并不推荐混着用)
当然,对于像 A 类这样的自定义类型,其不涉及资源的管理,new/malloc、delete/free 用起来其实没有什么区别,但是,对于涉及资源管理的类,就有很大的区别,如Stack类。

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;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
	A* p6 = new A[10]; //  调用十次构造函数
	free(p5);
	delete[] p6;   // 调用十次析构函数
	return 0;
}

对于自定义类型,如果内置成员有指针,指向堆区开辟的一块空间。如果用 free 释放,指针本身固然会被释放,但是其指向的空间,并不会被释放掉,就会造成内存泄漏

可以用图片来理解上面的内容。Stack类中是有指针成员的,用其来当例子比较合适。下图中,pst 指向的空间是 new 出来的,new 会调用构造函数,所以也会为 _a 指针开辟一块空间。
如果直接 free(pst) ,那么,pst 指针直接指向的那一块空间,固然会被释放。但是由于没有调用析构函数,所以 _a 指向的空间(红色箭头指向的那块)就不会被释放。造成内存泄漏。
同时,观察下图,注意定义对象 和 new出一个对象的区别。 st 是一个对象;pst 是一个指针,指向一个对象。

所以,还是尽量配套使用 new/delete ,不要和 malloc/free 交叉使用。
请添加图片描述


此时就可以对一些混用的错误进行区分:
对于 p1、p2 ,由于都是内置类型,没有构造函数和析构函数,所以混用无所谓。

对于 p3,自定义类型的数组:

  • 如果直接 free ,报错。但是去掉A类中的析构函数,就可以。
  • 如果 delete 没加 [ ] ,也会产生错误。但是去掉析构函数,就不报错。
  • delete[ ] p3; 标准用法。

但是对于 p4 ,其没有涉及资源释放,所以直接 free 可以。

为什么在 p3 中,去掉析构函数,就可以让原本报错的程序,正常运行呢?
因为开辟连续的自定义类型的空间的时候,在开辟空间的前方,额外开辟了一个 int 类型的空间(四个字节),存放着开辟对象的数量,在delete的时候,访问这个空间,就知道要调用几次析构函数。如下图。
请添加图片描述
编译器在识别的时候,发现 A 类中并没有自定义的析构函数,要让编译器自己生成,但是这里编译器就比较聪明,它评估了一下,觉得不调用析构函数也可以。既然不调用析构函数也无所谓,那么为了析构函数而生的那四个字节的空间也就不用被开辟出来,所以直接 free 掉也没什么错误。

class A {
public:
	A(int a = 10)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	int* p1 = new int;
	free(p1);

	int* p2 = new int[10];
	free(p2);

	A* p3 = new A[10];
	//free(p3);    // 报错。
	delete p3;     // 报错。 把A类中的析构函数去掉,就不报错。
	//delete[] p3; // 标准用法

    A* p4 = new A;
    delete p4;
    
	return 0;
}

我们可以小小地总结一下,对于 malloc 和 free ,无法满足 C++ 自定义类型的动态开辟内存(涉及资源管理),所以,C++ 自己定义了一套 new 和 delete 。虽然有时候,混用不会造成什么错误,但是最好还是匹配着用,不要混用。

📕 operator new 与 operator delete

那么 new 和 delete 的底层原理是什么呢?

operator newoperator 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
operator new 和 operator 并不是 new 和 delete 的重载,前者是全局函数,后者是操作符。(只是取名字取得比较像重载…)

如下,是 operator new 和 operator delete 的底层原理。虽然不能全部看懂,但是大致可以知道,他们分别是用 malloc 和 free 来实现相应的功能的。
其实,operator new 是对 malloc 的封装,operator delete 是对 free 的封装

//operator new:该函数实际通过malloc来申请空间
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;
}

但是这就让人一脸懵了,operator new 是对 malloc 的封装,那为什么要多此一举呢?两者区别在哪里?看到下面的代码,实际上,operator new 如果开辟空间失败,会抛出异常,而不是返回空指针,这是两者的区别。(看上面的源代码,operator new 返回值是 void* ,所以要强制类型转换)

    int* p = (int*)operator new(sizeof(int));
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (p1 == nullptr) {
		perror("malloc fail");
	}

可是 operator new 这样存在的意义又是什么呢?

其实,它是为了 new 服务的。
在我们 new 一个对象的时候,首先要开辟空间(使用operator new),其次要调用它的构造函数。那么开辟空间的话,按照以往的思想是用 malloc 、calloc 的,遇到错误返回空指针。
但是,对于面向对象的语言来说,它如果遇到错误,是要抛出异常。而C语言并没有这样的机制,所以C++中,对malloc进一步封装,有了面向对象特性的 operator new ,遇到错误抛异常

如下图,从下面代码的汇编代码中,可以看出,先 call operator new,再 call 构造函数。

    // 调用 operator new 开辟空间   operator new -> malloc
	// 调用构造函数
	A* p = new A;

在这里插入图片描述

那么 delete 的机制又是什么呢?
类比于new,他就是先调用析构函数,再用 operator delete 释放空间

	// 先调用析构函数
	// 再 operator delete p5指向的空间  operator deldte -> free
	delete p;

那为什么不是先释放空间,再调用析构函数呢?还是下面这张图,如果直接释放 pst 指向的空间,就会造成这个对象直接被释放了,但是 _a 指向的空间(红色箭头所指处)没有释放。
请添加图片描述


对于一次new出多个对象,其实也是用的上面的机制。

如下代码和汇编,实际上会去调用 operator new[] ,但是 operator new[] 本质上也是去一次次调用 operator new。

	// 先调用 operator new[] 。实际上 operator new[] 也是去调用 operator new
	// 调用十次构造函数
	A* p6 = new A[10];
	
	// 一样,先调用十次析构函数
	// 再调用 operator delete[]
	delete[] p6;

请添加图片描述

📕 定位 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

如下代码,但是平时使用的时候,先 malloc 再 定位new 很麻烦,直接 new 就可以了。
只不过是有时候为了提升性能,申请内存要向内存池申请,这样子快一些,但是没有初始化;new 是直接向操作系统申请的,相对较慢。

内存池就可以理解为蓄水池。如果住在山里,将溪水挑到蓄水池,这样子用水就很方便,不需要跑到远处溪水去挑。

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

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;
}

关于 C++ 的内存管理就介绍到这里啦!有错误的地方欢迎指正~

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