【C++初阶】C/C++内存管理

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🌼文章目录🌼

1. C/C++内存分布

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

3. 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

4. operator new和operator delete函数

    4.1 operator和operator delete

5. new和delete的实现原理

    5.1 内置类型

    5.2 自定义类型

6. malloc/free和new/delete的区别

1. C/C++内存分布

  我们来看下面的一段代码和相关问题。

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);

}

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) = ____;

选择题答案：C、C、C、A、A         A、A、A、D、A、B

第一题：globalVar是全局变量，存放于数据段(静态区)

第二题：staticGlobalVar是静态变量，存放于数据段(静态区)

第三题：staticVar是静态变量，存放于数据段(静态区)

第四题：localVar是局部变量，存放于栈区

第五题：num1是数组首元素地址，局部变量，存放于栈区

第六题：char2是数组首元素地址，局部变量，存放于栈区

第七题：因为char2是一个数组，*char2就是常量字符串的第一个字符，字符串存于代码段(常量区)，*char2是将存于常量区的常量字符串的第一个字符拷贝存储到数组中，因此*char2拿到的是存于数组中，也就是存于栈区的数据

第八题：pChar3是指针，指向常量字符串首元素地址，地址存放于栈区

第九题：*pChar3拿到的是存于代码段(常量区)的字符串的首元素，存于代码段(常量区)

第十题：ptr1是指针，指向动态开辟的空间首地址，地址存放于栈区

第十一题：*ptr1拿到的是动态开辟的空间中存储的元素，动态开辟的空间存放于堆区

填空题答案：40、5、4、4、4、4

第一题：sizeof(num1)中的num1代表整个数组，整个数组大小就是10*4=40字节

第二题：sizeof(char2)计算的是指针类型的大小，32位机器下指针大小为4个字节，64位机器下指针大小为8个字节

第三题：strlen(char2)计算的是字符串长度，遇到'\0'停止

第四题：sizeof(pChar3)计算的也是指针类型的大小

第五题：strlen(pChar3)计算的是字符串长度，遇到'\0'停止

第六题：sizeof(ptr1)计算的也是指针类型的大小

  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 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。

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

  C语言动态开辟内存的方式：

    int* arr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);

    int* arr2 = (int*)calloc(10,sizeof(int));
    int* arr3 = (int*)realloc(arr1, sizeof(int) * 40);

  这里我们用realloc对arr1进行增容时，如果是在另外的地方开辟40个字节的空间，realloc会帮我们完成 释放arr1原来的空间——将arr1指向arr3所在空间的操作。因此无需我们手动free(arr1)。

3. 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。

    3.1 new/delete操作内置类型

    //动态申请一个int大小的空间
    int* a1 = new int;

    //动态申请一个int的空间，并将值初始化为10
    int* a2 = new int(10);

    //动态申请int类型的数组，长度为10
    int* a3 = new int[10];
    a3[0] = 1;
    cout << *a1 << endl;
    cout << *a3 << endl;
    cout << a3[0] << endl;

    //释放a3动态开辟的空间

    delete a1;

    delete a2;

    delete[] a3;

    //注：动态开辟的空间delete后必须加上[]，否则会报错

    3.2 new和delete操作自定义类型

  从上图可以看出，使用C语言的malloc对类类型开辟空间和使用free释放空间时，并不会调用类中的析构造函数和析构函数；而用C++的new对类类型开辟空间和使用delete释放空间时，会调用类中的构造函数和析构函数。

  而对于int这些内置类型，不管是malloc和free还是new和delete，都是一样的效果。

  注：对于类类型的数组开辟，释放空间时同样需要在delete后加上[]，否则会报错

4. operator new和operator delete函数

    4.1 operator和operator delete

  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。

  下面是系统 operator new和operator delete函数底层代码：

/*

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)
{
         // 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); __TRY

/* block other threads */

/* 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); __END_TRY_FINALLY

/* release other threads */

        return;
}

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

  不需要明白代码逻辑，只需要知道在调用new和delete时，实际上调用的是operator new和operator delete函数，同时operator new实际也是通过malloc来申请空间的，不同的是，C语言malloc失败是直接返回NULL，而new失败是抛异常，同时对于类类型对象还会调用其构造函数；operator delete最终也是通过free来释放空间的是，不同的是对于类类型，还会调用析构函数。

5. new和delete的实现原理

    5.1 内置类型

  如果是内置类型，new和delete与malloc和free基本是相同的，不同的地方在于：new在申请空间失败时是抛异常，而malloc申请空间失败时是返回NULL。

    5.2 自定义类型

① new的原理：

    1. 底层是调用operator new函数申请空间，这是一个重载运算符

    2. 在申请类类型的空间时，调用对象的构造函数完成对对象的构造

② new[N]的原理：

    1. 调用operator new[]函数，operator new[]调用operator new函数，实际上最终也是调用operator new函数完成N个对象的申请

    2. 申请类类型对象时，调用N次构造函数

③ delete的原理：

     1. 释放类类型的空间时，首先调用对象的析构函数，对动态申请的空间进行释放

     2. 底层调用operator delete函数释放对象的空间，是一个重载运算符 

④ delete[]的原理：

     1. 释放类类型对象时，调用N次析构函数

     2. 调用operator delete[]函数，operator delete[]调用operator delete函数，实际上最终也是调用operator delete函数完成对N个对象空间的释放

6. malloc/free和new/delete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(calloc可以)，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
空间中资源的清理释放

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