C/C++内存管理(超详解)

目录

1.C/C++内存分布

2.C语言动态内存管理

2.1 malloc

2.2 free

2.3 calloc

2.4 realloc

3.C++动态内存管理

3.1new/delete操作内置类型

3.2new/delete操作自定义类型

3.3operator new与operator delete函数

3.4定位new表达式(placement-new)


1.C/C++内存分布

内存中是如何布局的?如下图,,一般内存主要分为:代码区、常量区、静态区(全局区)、堆区、栈区这几个区域。

内存分布说明:

  1. 内核空间: 放置操作系统相关的代码和数据。(用户不能直接进行操作 ------ 可以通过调用系统提供的 api 函数)一般是给操作系统预留的内存空间,系统会进行相应的保护。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 堆用于程序运行时动态内存分配,堆是向上增长的。
  5. 数据段:存储全局数据和静态数据。(如static修饰的变量或在函数外定义的全局变量)
  6. 代码段:可执行的代码/只读常量。(如常量字符串)

2.C语言动态内存管理

2.1 malloc

函数信息:

上代码:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//开辟10个整型的空间:int* p = (int*)void* p = malloc(10 * sizeof(int));//1.开辟失败if(p == NULL){perror("main");return 0;}//2.开辟成功int i = 0;for(i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}//回收空间free(p);p = NULL;return 0;
}

小结:

  1. malloc向堆区申请一块连续的空间,开辟成功返回那块空间的地址,开辟失败返回NULL
  2. 因为malloc函数的返回值是void*类型,在用指针变量接收时,必须强制类型转换为对应类型
  3. 如果malloc开辟失败,可能会对空指针进行非法解引用操作,malloc开辟的空间一定要检查
  4. 使用完空间,要主动回收。因为在回收空间后,那块空间的使用权交给了操作系统,为了避免非法访问,通常会主动将指向那块空间的指针置为NULL

2.2 free

函数信息:

上代码:

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 1;int* b = &a;free(b);//回收空间b = NULL;return 0;
}

小结:

  1. 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的,那么free函数的行为是标准未定义的
  2. 如果参数ptr是NULL指针,则视为无效代码,因为不能对一个不存在的地址释放空间,这样没有意义!
  3. 关于空间回收:可以是主函数结束后,所有开辟的栈帧会被还给操作系统,也可以是主动把不用的空间主动回收掉。

2.3 calloc

函数信息:

上代码:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//malloc与calloc进行对比//mallocint* p = (int*)malloc(40);int i = 0;for(i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}free(p);p = NULL;//callocint* q = (int*)calloc(10, sizeof(int));for(i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(q + i));}free(q);q = NULL;return 0;
}

小结:

  1. 相比于malloc来说,calloc与malloc唯一的不同就是calloc会进行初始化,并且要指定开辟空间的单个大小及个数。

2.4 realloc

函数信息:

上代码:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//开辟10个整形大小int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if(p == NULL){perror("main");return 0;}//如果空间不够,还需要10个整型空间,使用realloc调整空间	int* pnew = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if(pnew != NULL){p = pnew;	}//回收空间free(p);p = NULL;return 0;
}

小结:

realloc开辟空间原理:

  1. realloc在调整空间时,发现后面有足够的空间能调整,则直接紧挨着原空间之后进行调整,并且返回原空间的地址;
  2. realloc在调整空间时,发现后面没有足够的空间能调整,则会找一块能容纳原空间和需要增加的增加空间的新空间,并把原空间的内容全部拷贝到新空间,同时把原空间主动释放掉,最后在返回新空间的地址。

3.C++动态内存管理

3.1new/delete操作内置类型

关于new和delete我们通过代码来介绍:

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10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr6 = new int[10];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;return 0;
}
讲解
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,将new[]和delete[]匹配起来使用。如果要进行初始化的话,对于内置类型单个变量使用(初始值),如果是数组则在[]后加上{初始值1,初始值2,初始值3......};

3.2new/delete操作自定义类型

上代码:

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;//这里将delete和C语言中的free混用对于自定义类型来说看不出区别//但对于内置类型有很大概率会出bug,不是好的代码习惯!int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); int* p4 = new int;free(p3);delete p4;//这样才是正确回收空间操作,malloc匹配free,new匹配deleteA* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];//这里可以对A数组进行初始化,可以直接给值,也可以用匿名对象构造初始化//A* p7 = new A[10]{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };//A* p8 = new A[10]{ A(1),A(2),A(3),A(4),A(5),A(6),A(7),A(8),A(9),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,这是C++动态操作与C语言动态操作的区别之一,为什么会调用析构和构造函数,请继续往下看:

先来介绍一下operator new和operator delete:

3.3operator newoperator delete函数

先弄清几个点:

  1. new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符
  2. operator new 和operator delete是系统提供的全局函数
  3. new在底层调用operator new全局函数来申请空间,
  4. delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

纸上得来终觉浅,我们扒开两个函数的底层实现看看:

/*
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); /* 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)

小结:

  1. 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。如何查看异常呢,使用try+catch来捕捉:
    #include"iostream"
    using namespace std;
    class A
    {
    public:A(int year=2025,int month=1,int day=19){cout << year << "-" << month << "-" << day << endl;this->_year = year;this->_month = month;this->_day = day;}~A(){cout << "Destroy" << endl;_year = _month = _day = 0;}
    private:int _year;int _month;int _day;
    };int main()
    {try{A* tmp = new A[10]{ A(2025,1,10),A(2025,1,11) };//先operator new->malloc再构造delete[] tmp;//先析构再operator free->free}//malloc失败返回空指针 new失败抛异常捕捉catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
    }
  2. operator delete 最终是通过free来释放空间的
  3. new操作符首先调用operator new全局函数通过底层malloc开辟一块空间,再调用构造函数对自定义类型初始化。
  4. delete操作符首先调用析构函数销毁自定义类型占用的空间,再调用operator delete全局函数通过底层free释放空间。

3.4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
使用格式:
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
使用场景:
定位new表达式在实际中一般是 配合内存池使用 。因为内存池分配出的内存没有初始化,所以如果是自定义类型的对象,需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。
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; // 如果A类的构造函数有参数时,此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}
由于内容太过超前,作者暂且介绍这么多~
- - - - - - ——————————本文结束—————————— - - - - - -

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