C/C++的内存管理
如意.759 2024-10-24 16:35:02 阅读 67
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一、内存的分布
1.1内存分布
1.2例题
二、C语言的动态内存管理
2.1malloc
2.2calloc
2.3realloc
2.4 free
三、C++的动态内存管理
3.1内置类型
3.2自定义类型
3.3operator new&&operator delete
3.4 new 与 delete 的原理
3.5定位new表达式(placement-new)
四、malloc/free和new/delete的区别
一、内存的分布
1.1内存分布
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. 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。
3. 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。
1.2例题
<code>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);
}
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?__C__ 全局变量
staticGlobalVar在哪里?__C__ 全局静态变量
staticVar在哪里?__C__ 局部静态变量
localVar在哪里?__A__ 局部变量
num1 在哪里?__A__ 局部数组
char2在哪里?__A__ 局部数组
*char2在哪里?_A__ 此时的char代表的是数组首元素地址,*char代表元素a在栈上
pChar3在哪里?__A__ 指针局部变量
*pChar3在哪里?__D__ 指向常量字符串 首元素地址解引用
ptr1在哪里?__A__ 局部指针变量
*ptr1在哪里?__B__ 开辟的空间放在堆上
二、C语言的动态内存管理
2.1malloc
C语言提供的一个动态开辟内存的函数:
<code>1 void* malloc (size_t size);
这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针。
• 如果开辟成功,则返回⼀个指向开辟好空间的指针。
• 如果开辟失败,则返回⼀个 NULL 指针,因此malloc的返回值⼀定要做检查。
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
if (ret == NULL)
{
perror("malloc fail");;
return 1;
}
• 返回值的类型是 void* ,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用的时候需要使用者自己来决定。
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
• 如果参数 size 为0,malloc的行为是标准是未定义的,取决于编译器。
2.2calloc
C语言还提供了⼀个函数叫 calloc , calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下:
<code>void* calloc (size_t num, size_t size);
• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间,并且把空间的每个字节初始化为0。
• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全 0。
Tips:
calloc 因为要初始化为0所以相比 malloc 慢一点
同样也需要检验空指针的问题
2.3realloc
有时会我们发现过去申请的空间太小了,有时候我们又会觉得申请的空间过大了,那为了合理的使用内存,我们⼀定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下:
<code>void* realloc (void* ptr, size_t size);
• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新的大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置
• 这个函数调整原内存空间大小的基础上,还会将原来内存中的数据移动到新的空间
Tips:
realloc在调整内存空间的是存在两种情况:
◦ 情况1:原有空间之后有足够大的空间
◦ 情况2:原有空间之后没有足够大的空间
情况1:
当是情况1的时候,要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间,原来空间的数据不发生变化。
情况2:
当是情况2的时候,原有空间之后没有足够多的空间时,扩展的方法是:在堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用,然后将原来空间的数据拷贝到新空间,释放旧空间。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。
所以 realloc 应该规范使用:
因为调整失败会返回空指针,如果原指针直接接收返回值,可能把原空间地址丢失,所以应该用另一个指针接收返回值,并且判空,不为空则将指针地址赋值给原指针。
2.4 free
C语言提供了另外⼀个函数free专门是用来做动态内存的释放和回收的。
函数原型如下:
<code>void free (void* ptr);
free函数是用来释放动态开辟的内存。
• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的,那free函数的行为是未定义的。
• 如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。
演示代码:
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = { 0 };
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
int i = 0;
for (i = 0; i < num; i++)
{
*(ptr + i) = 0;
}
}
free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;//是否有必要?
return 0;
}
我们是否有必要置空 ptr 呢?
为了避免野指针的问题, free完成后一定记得置空原指针。
三、C++的动态内存管理
3.1内置类型
<code>int main()
{
// 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3
int* ptr5 = new int(3);
// 动态申请3个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
// 动态申请10个int类型的空间并初始化
int* ptr7 = new int[10] {0};//全部初始化为0
int* ptr8 = new int[10] {1, 2, 3};//部分初始化
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
delete[] ptr7;
delete[] ptr8;
}
Tip:
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[],匹配起来使用。
3.2自定义类型
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。
<1>操作类
单参数演示代码:
<code>class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
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));
// 隐式类型转换
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)); // C
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;
}
可以看到 p6【10】调用了10次构造函数和析构函数
多个参数演示代码:
<code>class A
{
public:
A(int a1=0 ,int a2 = 0)
: _a1(a1)
, _a2(a2)
{
cout << "A(int a1 = 0,int a2 = 0):" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a1(aa._a1)
,_a2(aa._a2)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
A& operator=(const A& aa)
{
_a1 = aa._a1;
_a2 = aa._a2;
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << endl;
}
private:
int _a1;
int _a2;
};
int main()
{
A* p1 = new A;
//多个参数类型转换
A* p2 = new A(1,2);
A* p3 = new A[3];//创建数组调用3次
A* p4 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };
//类中没有默认构造函数该怎么实现数组类的初始化呢?
//法1 拷贝构造
A aa1(1, 1);
A aa2(2, 2);
A aa3(3, 3);
A* p5 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };
//法2 匿名对象,构造+拷贝构造->优化直接构造
A* p6 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) };
//法3 隐式类型转换
A* p7 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3}};
delete p1;
delete p2;
delete []p3;
delete []p4;
delete []p5;
delete []p6;
delete []p7;
return 0;
}
<2>构建链表
struct ListNode
{
int val;
ListNode* next;
ListNode(int x)
:val(x)
,next(nullptr)
{}
};
int main()
{
// 可以高效率的构建一个链表
// 不光创建了节点,还直接调用构造函数初始化
ListNode* n1 = new ListNode(1);
ListNode* n2 = new ListNode(2);
ListNode* n3 = new ListNode(3);
ListNode* n4 = new ListNode(4);
n1->next = n2;
n2->next = n3;
n3->next = n4;
return 0;
}
可以知道new能够调用构造函数初始化,使用更加便捷方便了。
3.3operator new&&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。
(1)operator new
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 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,如果用户提供该措施 就继续申请,,否则抛异常。
(2)operator delete
/*
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_FINALLY
return;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
operator delete 最终是通过free来释放空间的。
3.4 new 与 delete 的原理
(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。
(2)自定义类型
new的原理
1. 调用 operator new 函数申请空间,失败就抛异常
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
思考:如果没有匹配使用会发生什么情况呢?
内置类型并没有资源申请,所以考虑自定义类型
演示代码:
class A
{
public:
A(int a = 0,int b = 1)
:_a(a)
,_b(b)
{
cout << "A(int a = 0,int b = 1):" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << endl;
}
A& operator=(const A& aa)
{
_a = aa._a;
_b = aa._b;
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
}
private:
int _a = 2;
int _b = 1;
};
class B
{
private:
int _a = 1;
int _b = 2;
};
int main()
{
B* p1 = new B[10];
//内存泄露
//A* p2 = new A[10];
//delete p2;
delete p1;
return 0;
}
为什么newA【10】会报错而new B【10】不会呢?
可以看到A B区别就是A显示实现了构造 析构函数,而B是默认的
A,B对象都是8字节,应该是开80的内存,事实是这样吗?
可以看到 A 多开了4个字节存储数据个数,但返回的指针p2指向的并不是内存的首地址,这就是报错的原因,导致了内存泄漏问题。
p1不报错是因为释放了完整的内存并不存在内存泄漏,严格讲B也应该需要多开4字节存储数据个数但是编译器对B进行了优化,它的析构是编译器实现的并没有实际作用(没有资源申请),所以也不用多存4个字节,如若B显示析构,那么也会报错。
想要A不报错 只需要释放完整的内存空间,从(p2-1)位置 delete 释放内存即可。
3.5定位new表达式(placement-new)
定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
使用:
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必须是一个指针,initializer-list是类型的初始化列表
情景假设:
需要高频申释放内存块,系统会建立一个专供——可重复使用的内存即内存池(堆上开辟)
因为内存池分配的内存没有初始化,所以需要定位new来显示调构造函数初始化
演示代码:
<code>class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间,还不能算是一个对象,因为构造函数没
//有执行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; // 注意:如果A类的构造函数有参数时,此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
//内存池专供
A * p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
四、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,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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