CC++内存管理与模版初阶

news2024/12/25 1:10:27

目录

四、C&C++内存管理

 (一)C/C++内存分布

 (二)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

(三)operator new与operator delete函数

 (四)new和delete的实现原理

 1、内置类型

 2、自定义类型

(五)定位new表达式(placement-new)

 (六)八股文

1、new和malloc的区别

2、内存泄漏 

1)危害

2)分类

 五、模版初阶

(一)泛型编程

 (二)函数模版

1、格式

2、显示实例化

3、原则

(三)类模版

1、格式

2、显示实例化

四、C&C++内存管理

 (一)C/C++内存分布

C++内存区域分为五部分，分别为栈、堆、自由存储区、静态区、常量区。

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);
}

 

 全局变量在静态区(数据段)，静态变量在静态区，普通变量在栈区，指针在栈区，malloc，calloc，realloc在堆区，常量字符串在常量区。

注：ptr1是个指针，自身在栈区，指向的内容在堆区

【说明】
1. 栈 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。（ Linux 课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
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。

 (二)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

 上面注释的是C语音语法，下面是C++语法，二者功能相同

int main()
{
	//int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* a = new int;

	//int* c = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	int* c = new int[10];

	//free(a);
	delete a;

	//free(c);
	delete[] c;
	return 0;
}

初始化，当只有一个元素时，只需要在后面加（数值）即可，当有多个元素时，在后面加{数组}

([]与{}之间没有“=”！！！)如果元素给的不够，用0初始化

	//int* b = (int*)calloc(1,sizeof(int));
	int* b = new int(1);
    int* c = new int[10] {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

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[]， 匹配起来使用。

2、new和delete操作自定义类型

当我们需要开自定义类型的空间时，如果用C语言的语法malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化，并且构造函数显示调用很麻烦(后面会说)，自己初始化也是无法初始化私有成员的，所以C++创建了new语法，他的返回值是对应类型的指针。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
	{
		_a = a;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
    //开空间+调用构造函数初始化
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A(1);
    //调用析构函数+释放空间
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

也可以创造多个对象，new会多次调用构造函数

class A
{
public:
	A(int a = 0)
	{
		_a = a;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p1 = new A[10];

	A a1(1);
	A a2(2);
	A a3(3);
	A* p2 = new A[10]{a1,a2,a3};        //直接
	A* p3 = new A[10]{ A(1),A(2),A(3)}; //使用匿名对象
	A* p4 = new A[10]{ 1,2,3 };         //使用隐式类型转换

	delete[] p1;
	delete[] p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
	return 0;
}

(三)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。 
/*
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 。 
int main()
{
	try
	{
		char* a = new char[0xfffffffffff];
	}
	catch(const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

 (四)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 。

所以内置类型前面用new后面用free是没问题的

int main()
{
	int* a = new int[10];

	//都可以
	free(a);
	delete a;
	delete[] a;
	return 0;
}

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
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

 所以当自定义类型有析构函数时，必须匹配使用，否则会出问题

int main()
{
	A* a = new A[10];

	free(a);
	return 0;
}

delete a;也一样

int main()
{
	A* a = new A[10];

	/*free(a);
	delete a;*/    //都不行
	delete[] a;    //可以
 	return 0;
}

 实际上在申请空间时，有析构函数编译器会额外申请4个字节来存储个数

通过这个数来表示需要调用多少次析构函数

虽然不匹配使用有时不会出问题，但是并不建议这样，不同环境结果可能不同

所以要匹配使用！

(五)定位new表达式(placement-new)

一般情况下是不能显示调用构造函数的，但是定位new可以 

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。

 

 (六)八股文

1、new和malloc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

2、内存泄漏 

1)危害
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
2)分类

C/C++ 程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
堆内存泄漏 (Heap leak)
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过 malloc / calloc / realloc / new 等从堆中分配的一
块内存，用完后必须通过调用相应的 free 或者 delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分
内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生 Heap Leak 。
系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放
掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

 五、模版初阶

(一)泛型编程

我们在写交换函数的时候，由于类型不同，需要写多个函数

void Swap(int& left, int& right)
{
 int temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
 double temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
 char temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：
1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那有没有办法写一个通用的函数呢？？？

 (二)函数模版

1、格式

告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码

template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T c = a;
	a = b;
	b = c;
}
注意： typename 是 用来定义模板参数 关键字 ， 也可以使用 class( 切记：不能使用 struct 代替 class)
函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模 板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

 2、显示实例化

在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

 我们可以用显示调用来解决

template<typename T>
int Add(T x, T y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 0;
	double  b = 1;
	cout << Add<int>(a,b) << endl;    //显示调用
	return 0;
}

也可以用强转

template<typename T>
int Add(T x, T y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 0;
	double  b = 1;
	cout << Add(a, (int)b) << endl;
	return 0;
}

3、原则

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函 数 

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
 return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
 return left + right;
}
void Test()
{
 Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
 Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}
2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模 板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板 
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
 return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
 return left + right;
}
void Test()
{
 Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
 Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函
              //数
}

3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换  

(三)类模版

1、格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};

作用和typedef差不多，但是有些情况typedef无法解决↓

int main()
{
    Stack s1;  //存放int
    Stack s2;  //存放double
    return 0;
}

如果不用模块就要写两个栈

2、显示实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同， 类模板实例化需要在类模板名字后跟 <> ，然后将实例化的类型放在 <> 中即可， 类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。 
// Vector类名，Vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

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