c++学习之内存管理

目录

1.c/c++内存分布

2.new与delete/malloc与free

c++内存管理方式:

new/delete操作内置类型:

new/delete操作自定义类型

 operator new与operator delete函数

new和delete的实现原理

 内置类型

自定义类型

malloc/free和new/delete的区别


1.c/c++内存分布

在学习c语言的时候我们就已经了解到不同的数据存储在不同的空间当中,对于内存,其被划分成不同的各个区域,分别用来管理不同的数据,如下图:

可以看到内存被划分为堆区,栈区,静态区,代码段区,内存映射段,数据段。
每一种区域都存放着不同的数据。
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。
我们常定义的函数,普通变量等都存放在栈区。
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. 用于程序运行时动态内存分配,堆是可以向上增长的。
对于数据结构中,我们常常开辟堆区的内存保存数据,在c++中也是如此且有新方法。
4. 数据段 -- 存储全局数据和静态数据。static修饰的全局变量与定义的全局变量存放处。
5. 代码段 -- 可执行的代码 / 只读常量。

其次, c++在继承c语言的基础上,对于堆区上的申请和释放做了优化,这将体现在c++类和自定义数据类型中。

2.new与delete/malloc与free

首先我们知道如何利用c语言的方式向堆区上开辟空间,我们利用malloc,cealloc,realloc这三个函数可以实现向堆区上开辟一块空间,之后我们在进行初始化,在对空间的利用完之后,利用free函数释放掉对上的空间,实现动态内存管理。

如下代码:
int main()
{char* p1 = (char*)malloc(sizeof(char)*10); free(p1);char* p2 = (char*)calloc(char ("hello world"), sizeof(char)*10);char *p3 = (char*)realloc(p2, sizeof(char) * 10);free(p3);return 0;
}

对于c语言的动态内存管理:

1.首先大佬认为如此的设计使得动态内存管理过于冗余,对于空间的开辟较为麻烦。

2.我们需要强制类型转换并计算出所需该类型的大小。

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

new/delete操作内置类型:

 我们能看到对于new的一些操作及运算符重载。

对于c++:我们可以利用new来进行动态内存的申请,利用delete进行内存的释放。

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10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];//动态申请5个int类型的空间并初始化int *ptr7=new int[5]{1,2,3,4,5};delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;delete[] ptr7;
}

可以看到我们可以初始化空间,并且对于多个内存的开辟也更加方便,对于大小可以自己推导,如一个整型四个字节,一个字符型一个字节。

注意:这里在开辟多个或一个空间时,delete的写法也应与之对应,否则存在释放报错。

因为c++兼容c语言,所以除了书写简便,对于内置类型,功能是一样的。

new/delete操作自定义类型

如果仅仅是因为优化写法,那么在c++设计new和delete是纯属没有必要的,真正牛逼得地方是new与delete可以操作自定义类型!!!而这与c++11类和对象密切联系着。

利用malloc与free我们只能做到对空间的开辟与释放,但无法去初始化这个自定义类型的空间。

如自定义类型A:

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

对于自定义类型下的malloc:

void test1()
{A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//无法调用构造函数来初始化,因为当前无法显式调用构造函数p1->_a = 5;//也无法对私有数据操作,只能通过定义接口函数来初始化p1->init_a(5);//这也是对于简单的数据,若是设计的类中数据量偌大,则直接就g了free(p1);
}

 我们可以看到自定义类型的数据要实现初始化太困难且复杂,甚至没法用。

那么对于重新设计的new与delete:

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 = new A;A* p2 = new A(5);A* p3 = new A[2]{1,2};delete p1;delete p2;delete[]p3;return 0;
}

对于初始化new可以再申请空间后调用构造函数,对于释放delete会调用析构函数,之后在释放空间。

 

 operator newoperator delete函数

new delete 是用户进行 动态内存申请和释放的操作符 operator new operator delete
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。
注意这两个作为函数(对于new和delete的实现),并非是new与delete的重载。
如下段代码:
// try to allocate size bytes
void *p;
while ((p = malloc(size)) == 0)
比特就业课
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
5.1 内置类型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);
}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_FINALLYreturn;
}
/*

对于这里的new内存开辟失败的时候,这里设计利用异常进行判断。

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,程序遇到异常就直接终止了。operator delete 最终是通过free来释放空间的

newdelete的实现原理

 内置类型

 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_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

如果申请的是内置类型的空间, new malloc delete 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[] 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

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

malloc/freenew/delete的区别

malloc/free 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 free 是函数, new 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
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

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