【CPP】CPP的内存管理

目录

      • 10 C/C++内存管理
        • 10.1 内存分布
        • 10.2 C的动态内存管理
        • 10.3 C++的内存管理
        • 10.4 `new`失败的检测
        • 10.5 `operator new`与`operator delete`函数
        • 10.5 `new`与`malloc()`的区别,`delete`与`free()`的区别
        • 10.6 定位`new`表达式

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10 C/C++内存管理

10.1 内存分布
  • CPP的内存划分和C保持一致
    • 栈 – 用于非静态局部变量/函数参数/返回值,栈是向下增长的
    • 内存映射段 – 高效的I/O映射方式,用于装载一个共享的动态内存库,用户可以使用系统接口创建共享内存,做进程间通信(暂时简单了解即可)
    • 堆 – 用于程序运行时的动态内存分配,堆可以向上增长
    • 数据段 – 存储全局数据和静态数据
    • 代码段 – 可执行的代码/只读常量
10.2 C的动态内存管理
  • malloc(),calloc(),realloc()用于申请空间(调整空间)
  • free()用于释放空间
10.3 C++的内存管理

  • CPP可以继续使用C的内存管理方式,但CPP引入了更加方便的关键字用于内存管理,即new和delete

  • 基础玩法:

int main()
{int* pa1 = new int; //内置类型声明+定义int* pa2 = new int(1); //内置类型声明+定义+初始化delete pa1; //内置类型销毁delete pa2; //内置类型销毁int* pb1 = new int[10]; //数组声明+定义int* pb2 = new int[10] {0}; //数组声明+定义+初始化(全为0)int* pb3 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5, 6}; //数组声明+定义+初始化(前六个分别为1,2,3,4,5,6,后4个默认全是0)delete[] pb1; //数组销毁delete[] pb2; //数组销毁delete[] pb3; //数组销毁return 0;
}
  • 进阶玩法(完全区别于C语言的玩法):
class A
{
public:A(int x = 1):_x(x){cout << "A(int x = 1)->" << _x << endl;}A(const A& a):_x(a._x){cout << "A(const A& a)->" << _x << endl;}~A(){_x = 0;cout << "~A()" << endl;}private:int _x = 1;
};int main()
{A* ca1 = new A; //自定义对象的声明+定义+使用缺省值初始化A* ca2 = new A(3); //自定义对象的声明+定义+使用用户的手动传值初始化delete ca1; //自定义类型的销毁delete ca2; //自定义类型的销毁cout << endl; //分割cout << "-------------------------" << endl; //分割cout << endl; //分割A* ca3 = new A[3]; //自定义类型数组的声明+定义+使用缺省值初始化A* ca4 = new A[3]{ 0 }; //自定义类型数组的声明+定义+第一个数使用用户传值初始化,其他数使用缺省值进行初始化A* ca5 = new A[3]{ 5, 6 }; //自定义类型数组的声明+定义+第一/二个数使用用户传值初始化,其他数使用缺省值初始化delete[] ca3; //自定义类型数组的销毁delete[] ca4; //自定义类型数组的销毁delete[] ca5; //自定义类型数组的销毁return 0;
}
  • 区别于传统C的写法,new和delete最大的优势在于它会自动调用构造函数和析构函数

请添加图片描述

  • 如果是多参数的话:
class A
{
public:A(int x = 1, int y = 2):_x(x),_y(y){cout << "A(int x = 1)->" << _x << " " << _y << endl;}A(const A& a):_x(a._x),_y(a._y){cout << "A(const A& a)->" << _x << " " << _y << endl;}~A(){_x = 0;cout << "~A()" << endl;}private:int _x = 1;int _y = 2;
};int main()
{A* ca1 = new A; //用缺省值初始化A* ca2 = new A(3, 4); //用用户传值初始化A* ca3 = new A[2]{ A(5, 6), A(7, 8)}; //用临时变量初始化A* ca4 = new A[2]{ {10, 11},{12, 13} }; //用隐式类型转换初始化delete ca1; //销毁delete ca2;delete[] ca3;delete[] ca4;return 0;
}

请添加图片描述

  • 不难看出,这里是有进行优化的,编译器把临时对象省略掉了(VS2022-debug-x64)
10.4 new失败的检测
  • 这一部分的内容暂时知道这么回事就可以了,涵盖了异常处理的一些内容
int main()
{try //尝试{void* ca2 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << ca2 << endl;void* ca3 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << ca3 << endl;}catch (const exception& e) //尝试失败就会调用catch一个叫exception的东西,exception是一个异常类型{cout << e.what() << endl; //打印发生了什么}return 0;
}

请添加图片描述

  • 在32位下,程序所开辟的空间不够,所以报出开空间错失败的报错信息

  • 不仅仅new可以抛异常,函数也可以抛异常

void func1()
{void* ca2 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << ca2 << endl;void* ca3 = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << ca3 << endl;
}int main()
{try{func1();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

请添加图片描述

  • new一般不会失败,不过还是要检测的
10.5 operator new与operator delete函数

  • operator new和operator delete是系统写的两个全局函数

  • 简单来说,为了让new能套用进C++异常抛出的那套逻辑里,设计者把抛出逻辑直接写进operator new里,我们可以直接看以下底层代码

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{void *p;while ((p = malloc(size)) == 0) //底层其实还是mallocif (_callnewh(size) == 0){static const std::bad_alloc nomem; //如果内存申请失败,就会进到这个if里,并抛出错误异常_RAISE(nomem);}return (p);
}

  • 简单来说operator new = malloc() + 判断与抛出错误异常

  • 而operator delete也是一样

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 );//(注意这里)__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;
}
  • 我们能看到,在operator delete里,使用到了一个叫做_free_dbg的东西,其实这个东西就是free()的宏定义
	#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

  • 事实上,operator new与operator delete其实也并不是new或者delete的定义,前者只是后者的一部分而已

  • 现在我们整一个自定义类型,用new申请空间到堆上,此时打开反汇编

006B2704  push        8  
006B2706  call        operator new (06B1140h)  
006B270B  add         esp,4  
006B270E  mov         dword ptr [ebp-0ECh],eax  
006B2714  mov         dword ptr [ebp-4],0  
006B271B  cmp         dword ptr [ebp-0ECh],0  
006B2722  je          __$EncStackInitStart+61h (06B273Bh)  
006B2724  push        2  
006B2726  push        1  
006B2728  mov         ecx,dword ptr [ebp-0ECh]  
006B272E  call        A::A (06B1366h)  
006B2733  mov         dword ptr [ebp-0F4h],eax  
006B2739  jmp         __$EncStackInitStart+6Bh (06B2745h)  
006B273B  mov         dword ptr [ebp-0F4h],0  
006B2745  mov         eax,dword ptr [ebp-0F4h]  
006B274B  mov         dword ptr [ebp-0E0h],eax  
006B2751  mov         dword ptr [ebp-4],0FFFFFFFFh  
006B2758  mov         ecx,dword ptr [ebp-0E0h]  
006B275E  mov         dword ptr [a],ecx

  • 不难发现,这条语句一定做了两件事情

    1. 006B2706 call operator new (06B1140h) 这条语句调用了operator new
    2. 006B272E call A::A (06B1366h) 这条语句调用了构造函数

  • 所以我们可以理解为,设计者为了让malloc()能套用进CPP的体系中,将malloc()升级加强成为了new

  • 一个给自定义类型开辟空间的new一定干了3件事

    • 用malloc()开了空间
    • 检测异常,如果有就抛出异常
    • 调用自定义对象的构造函数

  • 现在再来看一看delete

00AB6721  mov         eax,dword ptr [a]  
00AB6724  mov         dword ptr [ebp-0F8h],eax  
00AB672A  cmp         dword ptr [ebp-0F8h],0  
00AB6731  je          __$EncStackInitStart+0AEh (0AB6748h)  
00AB6733  push        1  
00AB6735  mov         ecx,dword ptr [ebp-0F8h]  
00AB673B  call        A::`scalar deleting destructor' (0AB14ECh)  
00AB6740  mov         dword ptr [ebp-100h],eax  
00AB6746  jmp         __$EncStackInitStart+0B8h (0AB6752h)  
00AB6748  mov         dword ptr [ebp-100h],0
  • 接着转到00AB673B call A::`scalar deleting destructor' 里
00AB2410  push        ebp  
00AB2411  mov         ebp,esp  
00AB2413  sub         esp,0CCh  
00AB2419  push        ebx  
00AB241A  push        esi  
00AB241B  push        edi  
00AB241C  push        ecx  
00AB241D  lea         edi,[ebp-0Ch]  
00AB2420  mov         ecx,3  
00AB2425  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00AB242A  rep stos    dword ptr es:[edi]  
00AB242C  pop         ecx  
00AB242D  mov         dword ptr [this],ecx  
00AB2430  mov         ecx,dword ptr [this]  
00AB2433  call        A::~A (0AB14F1h)  
00AB2438  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  
00AB243B  and         eax,1  
00AB243E  je          __$EncStackInitStart+31h (0AB244Eh)  
00AB2440  push        8  
00AB2442  mov         eax,dword ptr [this]  
00AB2445  push        eax  
00AB2446  call        operator delete (0AB109Bh)  
00AB244B  add         esp,8  
00AB244E  mov         eax,dword ptr [this]  
00AB2451  pop         edi  
00AB2452  pop         esi  
00AB2453  pop         ebx  
00AB2454  add         esp,0CCh  
00AB245A  cmp         ebp,esp  
00AB245C  call        __RTC_CheckEsp (0AB12FDh)  
00AB2461  mov         esp,ebp  
00AB2463  pop         ebp  
00AB2464  ret         4  
00AB2467  int         3  
00AB2468  int         3  
00AB2469  int         3  
00AB246A  int         3  
00AB246B  int         3  
00AB246C  int         3  
00AB246D  int         3  
00AB246E  int         3  
00AB246F  int         3

  • 不难看出,这里有两个语句

    • 00AB2433 call A::~A (0AB14F1h) – 调用析构
    • 00AB2446 call operator delete (0AB109Bh) – 调用operator delete

  • 其实也就是说delete就是free()的升级版

    1. 调用析构
    2. 调用free()

  • 而new[]和delete[]的底层调用了叫operator new[]和operator delete[],但operator new[]和operator delete[]的底层还是new和delete这俩,其实就是套娃

10.5 new与malloc()的区别,delete与free()的区别

  • new与malloc()的区别,主要还是体现在CPP引入的一些新内容上,为了适配CPP引入的新内容,前者是后者的升级版

    1. new不需要手动设定开辟空间的大小,而malloc()需要手动设定空间开辟的大小
    2. new能完成异常抛出,而malloc()不行,malloc()需要手动判空
    3. new能调用构造函数进行初始化,但malloc()不行
    4. malloc()返回的值为void*,需要强转成需要的类型,而new不需要强转,他自动返回相应类型的指针
    5. new是操作符,malloc()是函数

  • 同理,delete也相当于是free()的升级版

    1. delete会调用析构函数释放资源,但free()就只是负责把空间归还
    2. delete是操作符,free()是函数
10.6 定位new表达式
  • 先看一个例子
class A
{
public:A(int x = 1, int y = 2)//默认构造:_x(x),_y(y){cout << "A(int x = 1, int y = 2)->" << _x << " " << _y << endl;}A(const A& ra)//拷贝构造:_x(ra._x),_y(ra._y){cout << "A(const A& ra)->" << _x << " " << _y << endl;}~A()//析构{cout << "~A()" << endl;}private:int _x;int _y;
};int main()
{A* a1 = new A(1, 2); //声明+定义+初始化a1delete a1; //调用析构+释放内存(上面和下面完全没有区别,下面的情况完全就是脱裤子放屁,多此一举)//------------------------------------------------A* a2 = (A*)operator new(sizeof(A)); //声明+定义a1new(a2)A(1, 2); //初始化a1(其实这里就是在调用构造函数)a2->~A(); //调用析构函数operator delete(a2); //释放内存return 0;
}

  • 可以看到,operator new和operator delete这俩函数都可以手动调用,包括~A(),也是可以手动调用的,但构造函数没办法手动调用,就是能靠new(a2)A(1, 2)这个语句来调用,new后面括号里放对象名,紧接着对象类型,在后面括号里放传参的内容

  • 大部分情况下,正常使用new和delete就能完成任务了,少部分情况例如在内存池中就必须使用operator new和operator delete

内存池是向堆申请的一部分空间,用来专门存放经常需要申请和释放内存的数据,内存池与堆是独立开的,所以如果想从内存池中申请空间,就不能用在堆申请空间的那套模式,于是就有了以上模式,相当于手动模拟申请空间,只不过实际上申请的是内存池的空间

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