【C/C++】内存管理

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文章目录

前言一、内存分布1.1 五大分区1.2 图解 二、重温2.1 malloc/calloc/realloc2.2 free 三、初识3.1 new3.2 delete3.3 特点 四、探究4.1 封装实现4.2 代码展示 五、new/delete 实现步骤5.1 内置类型5.2 自定义类型 六、定位new6.1 应用场景

C++中的内存管理机制和C语言是一样的，但在具体内存管理函数上，C语言的malloc已经无法满足C++面向对象销毁的需求，于是祖师爷在C++中新增了一系列内存管理函数，即 new 和 delete
著名段子：如果你还没没有对象，那就尝试 new 一个吧

前言

将内存分成不同区域是为了实现更好的管理，比如在我们现实生活中，一幢房子会被分为客厅、厨房、卧室、卫生间等区域，目的是为了使我们生活更加方便、空间利用更加合理，计算机也是如此，更何况是空间非常珍贵的内存，因此在我们的程序中存在不同内存分区

一、内存分布

在程序中存在五大分区，各个分区各司其职，比如我们耳熟能详的栈区、堆区、静态

1.1 五大分区

栈区：

栈又称做堆栈，用于存储非静态局部变量、函数参数、返回值等，栈的空间是向下增长的

内存映射段：

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

堆区：

堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的，我们的动态内存就是在堆上申请的

数据段：

数据段中负责存储全局数据和静态数据

代码段：

代码段中存储可执行的代码/只读常量

注意： 内存中还存在内核空间，但我们普通用户代码无法读写

1.2 图解

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二、重温

先简单回顾下C语言中的动态内存管理

2.1 malloc/calloc/realloc

C语言提供了三种动态内存管理函数

malloc：申请指定大小的空间

int* pi = (int*)malloc(sizeof(int) * 1);//申请一个整型double* pd = (double*)malloc(sizeof(double) * 2);//申请两个浮点型char* pc = (char*)malloc(sizeof(char) * 3);//申请三个字符型

注意： malloc申请的空间都是未初始化的，即被编译器置为随机值

calloc：将申请的空间初始化为 0

int* pi = (int*)calloc(1, sizeof(int));//申请一个整型double* pd = (double*)calloc(2, sizeof(double));//申请两个个浮点型char* pc = (char*)calloc(3, sizeof(char));//申请三个字符型

注意： calloc参数列表与malloc不同，同时calloc申请的空间会被初始化为 0

realloc：对已申请的空间进行扩容

int* tmp = (int*)realloc(pi, sizeof(int) * 10);//将 pi 扩容为十个整型pi = tmp;//常规使用方法

注意： 我们要对所有的申请函数进行空指针检查，预防野指针问题

堆区的空间由我们管理，编译器很信任我们，因此我们要做到有借有还，再借不难

凡是动态开辟的空间，用完后都需要释放

2.2 free

C语言提供的空间释放函数是free

free(tmp);//此时tmp指向pi扩容后的空间，释放tmp就行了tmp = pi = NULL;//两者都需要置空free(pd);pd = NULL;free(pc);//只要是动态开辟的，都需要通过 free 释放pc = NULL;

注意： 只有动态开辟的空间才能使用 free，同时一块空间不能释放两次。我们在 free 后通常会把指针置空

关于C语言动态内存管理更多细节可以看看这篇文章：《C语言动态管理》

C语言 中管理函数只能对内置类型使用，而 C++ 中存在很多自定义类型，常规 malloc 等函数无能为力

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三、初识

出现了新的关键字：new 和 delete，它们也有很多形式和使用细节

3.1 new

使用

int* pi = new int;//申请一个整型double* pd = new double(3.14);//申请一个浮点型并初始化为 3.14char* pc = new char[5] {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'};//申请五个字符型，并分别初始化为 Helloc

注意：

new 与 malloc等不同，不需要进行空指针检查，也不需要进行类型转换new 的使用极其简单

特点：

new可以用于自定义类型动态开辟时，会调用自定义类型的构造函数

//假设存在日期类Date* ptr = new Date[5];//申请五个日期类，这些类都在堆上

下面来看看C++中的内存释放函数

3.2 delete

形式：

delete 指针delete[] 指针

使用：

C语言中的 free 可以用于释放所有动态申请函数，而 C++ 不行，申请与释放需要配套使用

int* pi = new int;delete pi;//直接释放double* pd = new double[5];delete[] pd;//释放五次Date* ptr = new Date[5];delete[] ptr;//释放五次，即调用五次日期类的析构函数

注意：

需要配套使用，new int 搭配 delete，而 new int[] 需要搭配 delete[]

特点：

delete可以用于自定义类型调用销毁时，会先调用自定义类型的析构函数

3.3 特点

C语言和C++动态内存管理函数的最大区别是： 是否会调用自定义类型的构造函数和析构函数

C语言明显不会，毕竟那时候还没有这些概念，而 C++ 作为面向对象的语言，调用构造与析构函数是必然的

C语言中的申请函数不能通过C++的释放函数进行释放，同理C++的申请空间也不能通过C语言的释放函数进行释放，比如下面这些情况是不合理的，可能引发问题

int* cPi = (int*)malloc(sizeof(int));delete cPi;//不合理的操作int* cppPi = new int;free(cppPi);//这样也是不合理的Date* ptr = new Date;free(ptr);//此时会报错，因为 free 并不会调用析构函数

切记，申请与释放要配套使用

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四、探究

为何C++中的动态内存管理函数能做到调用构造和析构函数呢？

这是因为我们也是调用的其他函数，正是得益于C++中的封装

4.1 封装实现

new 和 delete 是用户进行动态内存申请和释放的 操作符，它们在实现时会去调用真正的全局函数 operator new 与 operator delete，具体调用情况如下所示：

new 与 new []

new 调用 operator newnew [] 调用 operator new[]

delete 与 delete []

delete 调用 operator deletedelete [] 调用 operator delete[]

注意： operator new[] 最终是调用 operator new，operator delete[] 最终也是调用 operator delete
所以严格来说，operator new 和 operator delete 才是我们探讨的主角

所以严格来说，operator new 和 operator delete 才是我们探讨的主角

4.2 代码展示

/*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* __CRTDECLoperatornew(size_tsize)_THROW1(_STDbad_alloc){// try to allocate size bytesvoid* 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staticconststd::bad_allocnomem;_RAISE(nomem);}return(p);}

可以看到，其实 operator new 就是通过对 malloc 的封装实现的，不过进行了改进，当对象为自定义类型时，会去调用它的构造函数，并且当开辟失败时，会抛出异常

再来看看 operator delete 的代码实现

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

operator delete 的代码中也有 free 的影子，当释放对象为自定义类型时，会调用它的析构函数

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五、new/delete 实现步骤

下面再来看看两者具体的实现步骤

5.1 内置类型

对于内置类型来说，使用 malloc/free 和 new/delete 没什么区别

5.2 自定义类型

对于自定义类型，new/delete 的实现步骤如下：

new

调用 operator new 申请空间在申请的空间上调用构造函数

delete

在空间上调用析构函数再调用 operator delete 释放空间

new []

调用 operator new[] 函数，根据数值N，调用N次 operator new 函数申请空间在申请的空间上调用N次构造函数

delete []

在申请的空间上调用N次析构函数调用 operator delete[] 函数，然后由函数再调用 operator delete 释放空间

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六、定位new

定位new 是 new 的新用法

目的：

对已开辟而未初始化的空间进行初始化

形式：

new(指针)构造函数

//定位newStack* ptr = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));//malloc 不会调用构造函数，此时未初始化new(ptr)Stack();//通过定位new初始化对象

6.1 应用场景

定位new 可以用在内存池这个项目中

向堆中申请一块定额空间，此时空间未初始化此时就需要通过 定位new 来进行初始化

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