【C++】拆分详解 - 内存管理

文章目录

前言
一、C/C++内存分布
二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
三、C++内存管理方式
- 3.1 new/delete操作内置类型
- 3.2 new和delete操作自定义类型
- 3.3 operator new与operator delete函数
四、new和delete的实现原理
- 4.1 内置类型
- 4.2 自定义类型
- - 4.2.1 底层原理分析
  - 4.2.2 示例（栈）
五、扩展思考
- 5.1 delete[] 为什么不需要写释放个数？
- 5.2 构造个数与析构个数不匹配
六、malloc/free和new/delete的区别
总结

前言

本文在C语言基本内存管理知识的基础上，介绍了C++的动态内存管理的不同之处，旨在帮助读者复习C，进而过渡到C++

一、C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题，回顾复习一下C语言的知识

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);
}//题目
1. 选择题：选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)globalVar在哪里？____   staticGlobalVar在哪里？____staticVar在哪里？____   localVar在哪里？____num1 在哪里？____char2在哪里？____  	  *char2在哪里？___pChar3在哪里？____      *pChar3在哪里？____ptr1在哪里？____        *ptr1在哪里？____2. 填空题：sizeof(num1) = ____;  sizeof(char2) = ____;    strlen(char2) = ____;sizeof(pChar3) = ____;   strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;3. sizeof 和 strlen 区别？

在这里插入图片描述

易错

char2[] = "abcd" //开辟一个数组，将字符串abcd赋值拷贝进去
const char* pchar3 = “abcd” //创建一个指针指向常量字符串"abcd"
*char2 //解引用数组名，拿到的是首元素地址，不是拿到常量字符串

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test()
{int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);// 2.这里需要free(p2)吗？不需要，理由如下free(p3);
}

malloc 动态开辟
calloc 动态开辟 ＋ 初始化为0
realloc 动态调整 //原空间内存充足则原地调整//不足则异地调整，另外开辟一片空间将原数据拷贝过去且自动销毁原空间

三、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（分别对应malloc，free），往后我们将很少使用到C的内存管理方法。

3.1 new/delete操作内置类型

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3个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;
}

在这里插入图片描述

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。（思考：如果不匹配会发生什么？后续在 5.2 处我们进行解答）

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:A(int a = 0) : _a(a){cout << "A():" << this << endl; //标识调用了构造函数}~A(){cout << "~A():" << this << endl; //标识调用了析构函数}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;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); int* p4 = new int;free(p3);delete p4;A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

3.3 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（C++），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 就是对 malloc 的封装，相当于 malloc + 报错功能（抛异常）】
【operator delete 就是对 free 的封装】

下面我们来粗略看一下VS中的汇编代码

 /*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)
{void* p;while ((p = malloc(size)) == 0) //调用mallocif (_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);  __TRYpHead = pHdr(pUserData);_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse); //调用_free_dbg ，实际就是free的底层__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);__END_TRY_FINALLYreturn;
}/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

四、new和delete的实现原理

4.1 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

4.2 自定义类型

4.2.1 底层原理分析

new的原理（operator new + 构造函数）

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理（operator delete + 析构函数）

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

在这里插入图片描述

new T[N]的原理（operator new []+ 构造函数）

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
在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理（operator delete[] + 析构函数）

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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释
放空间

在这里插入图片描述

4.2.2 示例（栈）

在这里插入图片描述

五、扩展思考

5.1 delete[] 为什么不需要写释放个数？

new[] 开空间时会格外开辟一个对应类型大小的空间，用以存储开辟的个数（语法上delete[] 中不需要写个数，但实际上编译器要用，从多开的空间中拿）

在这里插入图片描述

5.2 构造个数与析构个数不匹配

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}//手动实现析构，会报错//未实现，可能会报错（取决于编译器是否优化）~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};// 记住，一定要匹配使用，不匹配结果是不确定的
int main()
{int* p1 = new int[10];delete p1;A* p2 = new A[10];delete p2;return 0;
}

在这里插入图片描述

结论：

手动实现析构函数时，会报错。原因如上一图。
未手动实现时，可能不会报错。
【隐患】析构函数可能本来需要起释放资源的作用，但用户忘记手动写了，不会报错，但会造成内存泄漏。
【原因】编译器如果进行优化，就不会报错，原因如上二图；如果编译器不进行优化，会报错。

六、malloc/free和new/delete的区别

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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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