C++内存管理篇

文章目录

  • 1. C/C++内存分布
  • 2. C++中的内存管理方式
  • 3. operator new和operator delete函数
  • 4. new和delete的实现原理
  • 5. 定位new表达式(placement-new)

1. C/C++内存分布

C语言中，为了方便管理内存空间，将内存分成了不同的区域，每个区域管理不同的数据

C++中，保持着跟C语言一样的内存区域划分

在这里插入图片描述

int main() 
{int a = 0; const int b = 1; //很多人有个误区，认为被const修饰的变量在常量区 //实际上，被const修饰的变量叫做常变量，它本质还是个变量，只不过有了常属性 //因此b是在栈区上的 cout << &a << endl; cout << &b << endl; char arr1[] = "abcd"; const char* arr2 = "abcd"; arr1[0]++; //arr2[0]++; ((char*)arr2)[0]++; //即使将arr2强转成char*，程序在运行的过程中也会崩溃，暴力修改常量区的数据 return 0; 
}

2. C++中的内存管理方式

C++语言中，我们用malloc/calloc/realloc/free函数进行内存的开辟和释放，对内存进行管理

C++中，这些函数依然可用，但在使用上是比较麻烦的；因此C++中增加了new和delete操作符，使用这两个操作符进行内存的管理

  • C语言使用的是函数进行内存管理
  • C++中new和delete是操作符，不是函数
int main()
{//申请一个int类型的空间int* p1 = new int;//申请一个int类型的空间并初始化int* p2 = new int(1);//申请一个数组int* p3 = new int[10];//C++11支持//申请一个数据并初始化int* p4 = new int[10]{ 1,2,3 };delete p1;delete p2;delete[] p3;delete[] p4;return 0;
}

相比于C语言中利用函数管理内存，C++中的管理内存方式有哪些好处：

  1. 用法更加简洁

  2. 可以控制初始化

  3. 对于自定义类型，开辟空间+自动调用对应的构造函数

    struct ListNode
{
public:ListNode(int val):_val(val), _next(nullptr){}int _val;ListNode* _next;
};int main()
{ListNode* node1 = new ListNode(1);ListNode* node2 = new ListNode(2);ListNode* node3 = new ListNode(3);delete node1;delete node2;delete node3;return 0;
}

  4. new失败了以后抛异常，不需要手动检查

    void Func2()
{int n = 1;while (1){int* p = new int[1024 * 1024 * 10];cout << n << "->" << p << endl;n++;}
}int main()
{try{Func2();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

  5. 对于自定义类型，申请空间时，new会调用对应的构造函数；delete会调用对应的析构函数

    class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;
};
int main()
{A* p1 = new A(1);//调用一次构造delete p1;//调用一次析构A* p2 = new A[10];//调用十次构造delete[] p2;//调用十次析构return 0;
}

3. operator new和operator delete函数

看到operator+操作符，第一直觉会以为这是对new和delete操作符的重载函数，但其实它们不是重载函数

实际上，这两个函数是系统提供的全局函数

在底层，new通过调用operator new函数来实现申请空间；delete通过调用operator delete函数来时间空间的释放

operator new函数最终通过malloc函数申请空间，申请成功则返回，否则抛异常

operator delete函数最终通过free函数释放空间

可以看到，new和delete的最底层还是使用的malloc和free函数，只不过是对它进行了一系列封装

4. new和delete的实现原理

在这里插入图片描述

对于内置类型：

  • 两者的效果差不多，不同的是new在申请空间失败时抛异常，malloc则返回NULL

对于自定义类型：

  • new会调用operator new函数申请空间，再在申请的空间上调用构造函数
  • delete会调用析构函数完成对象中的资源清理，再调用operator delete释放对象的空间
  • new T[n]会调用operator new[]函数，operator new[]函数会调用operator new函数申请n个对象的空间
  • delete[]会调用n次析构函数，完成n个对象中资源的清理，再调用operator delete[]函数，operator delete[]安徽念书会调用operator delete函数，释放n个对象的空间
class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;
};int main()
{A* p3 = new A[10];delete[] p3;return 0;
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

当然，不是所有情况都会留出一块空间存放对象个数

内置类型不需要析构，也就不会留出空间

没有显示定义析构函数的自定义类型也不会留出空间，因为没有显示定义析构函数，就认为不需要析构函数释放对象中的资源

new和delete使用时一定要对应，否则可能会出现不确定的结果

int main()
{// 程序能运行，但不推荐int* p1 = new int(1);delete[] p1;//error 正确的写法:delete p1// 若A显示定义析构函数，程序陷入无限调用析构的死循环中// 若A没有显示定义析构函数，程序能运行，但不推荐A* p2 = new A(1);delete[] p2;//error 正确的写法:delete p2// 程序能运行，但不推荐int* p3 = new int[10];delete p3;//error 正确的写法:delete[] p3// 若A显示定义析构函数，程序报错，原因是释放的位置错了// 若A没有显示定义析构函数，程序能运行，但不推荐A* p4 = new A[10];delete p4;//error 正确的写法:delete[] p4return 0;
}

// C语言创建不带哨兵位的链表
typedef int DataType;struct ListNode
{DataType val;struct ListNode* next;
};struct ListNode* CreateNewNode(DataType val)
{struct ListNode* newNode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));if (newNode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newNode->next = NULL;newNode->val = val;return newNode;
}struct ListNode* CreateList(int n)
{struct ListNode* head = CreateNewNode(-1);struct ListNode* tail = head;for (int i = 1; i <= n; i++){struct ListNode* temp = CreateNewNode(i);tail->next = temp;tail = tail->next;}struct ListNode* cur = head->next;free(head);return cur;
}int main()
{struct ListNode* head = CreateList(5);return 0;
}struct ListNode
{
public:ListNode(int val):_val(val),_next(nullptr){}int _val;ListNode* _next;
};// C++创建不带哨兵位的链表
ListNode* CreateList(int n)
{ListNode head(-1);ListNode* tail = &head;int val = 0;printf("请依次输入值:>");for (int i = 1; i <= n; i++){cin >> val;ListNode* newNode = new ListNode(val);tail->_next = newNode;tail = tail->_next;}return head._next;
}int main()
{ListNode* list = CreateList(5);return 0;
}

5. 定位new表达式(placement-new)

在某些场景下，我们向内存申请的空间没有初始化，比如向内存池申请的空间，如果是自定义类型的对象，我们可以使用new的定义表达式进行显示调用构造函数进行初始化

class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;
};int main()
{A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p1)A(1);p1->~A();operator delete(p1);return 0;
}

malloc/free和new/delete的区别：

  • 共同点：都是从堆上申请空间，需要自己手动释放空间

  • 不同点：

    用法上：

    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会初始化
    3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小；new只需加上空间类型即可，想创建多个对象，只需在[]里加上对象的个数
    4. malloc的返回值为void*，需要做强转处理；new的返回值就是空间类型，不需要处理
    5. malloc申请空间失败时返回NULL，因此使用时必须先判空；new不需要，但new需要捕获异常

    底层特性上：

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