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【C++】内存管理

一、C/C++内存分布

先看一下下面这个题
在这里插入图片描述
公布一下答案

在这里插入图片描述
下面是解析:
char2局部变量在栈区 char2是一个数组,把后面常量串拷贝过来到数组中,数组在栈上,所以*char2在栈上
pChar3局部变量在栈区 *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段
ptr1局部变量在栈区 *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

在这里插入图片描述

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. 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。(Linux课程如果没学到这块,现在只需要了解一下)
  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。

二、C语言中动态内存管理方式

从上面这个我们可以看出,我们对内存的操作绝大部分是在堆区进行的,那么对于C语言的内存管理函数malloc . calloc , realloc 是否还记得

int Test()
{
	//申请一块四个int大小的空间放在p1
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	//申请一块四个int大小的空间放在p2,并全部初始化为1
	int* p2 = (int*)calloc(1, sizeof(int) * 4);
	//为p2再申请六个int大小的空间
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);

	//释放空间
	free(p1);
	free(p3);
}

malloc函数的使用方法
calloc函数的使用方法
realloc函数的使用方法

三、C++内存管理方式

因为C语言和C++可以兼容,所以C语言的方式在C++中依然可以使用,但是有时候会很麻烦,所以C++提出了自己的内存管理方式:通过 new 和 delete 进行动态内存管理

1、new 和 delete 操作内置类型

void Test01()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	//动态申请一个int类型的空间,并初始化为10
	int* p2 = new int(10);

	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[10] {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};

	//销毁
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
}

要注意new和delete要匹配使用
new —— delete
new[ ] —— delete[ ]

当然若要申请二维数组,和C语言一样麻烦,分为数组指针和指针数组两种

void Test02()
{
	//数组指针
	int (*p1)[4] = new int[3][4];
	//销毁p1
	delete[] p1;

	//指针数组
	int** p2 = new int*[3];
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		//*(p2 + i) = new int[4];
		p2[i] = new int[4];
	}
	//销毁p2
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		delete[] p2[i];
	}
}

2、new 和 delete 操作自定义类型

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	//构造函数
	A(int a1 = 1)
		:_a1(a1)
		, _array(new int[4] {1, 2, 3, 4})
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	//析构函数
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
	void Getcapacity()
	{
		_array = new int[4] {1, 2, 3, 4};
	}
private:
	int _a1;
	int* _array;
};

int main()
{
	//这里最大的区别是,new在创建时会调用构造函数,并且可以传值进行初始化
	//在销毁时delete会调用析构函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(2);

	free(p1);
	delete p2;

	//内置类型几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* p4 = new int[4];

	free(p3);
	delete[] p4;
	return 0;
}

这里最大的区别是对于自定义类型,new会调用自定义类型的构造函数,delete会调用自定义类型的析构函数

四、operator new 和 operator delete 函数

在这里插入图片描述
当我们将程序转到反汇编,我们发现在new和delete时会调用到这两个函数,那我们将这两个函数调出来

/*
 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
*/
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)

从上面我们可以看到一些属性的面孔,malloc,free这是C语言开辟和销毁空间的方式

在这里插入图片描述
由此我们知道了
new 开辟空间还是通过 mlloc,当开辟失败时,会抛异常,所以我们无需像malloc一样判断是否为空指针
delete 销毁空间是通过 free
在这里插入图片描述
如上图,在32位环境下我们一次申请1个G,在申请第二次时报了异常,就是抛出了异常,我们要将异常捕获的话就要用到try,catch

#include<iostream>
using namespace std;

void Test01()
{
	try
	{
		int n = 0;
		char* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << n++ << endl;

		char* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << n++ << endl;

		char* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << n++ << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
}

int main()
{
	Test01();
	return 0;
}

exception是一个函数
这就是被捕获的异常
在这里插入图片描述

五、new 和 delete 的实现原理

1、内置类型

如果是申请内置类型的空间,new/delete 和 malloc/free基本相同
不同的地方在:
new/delete是申请单个空间,new[ ]/delete[ ]是申请连续空间
new申请失败会抛异常,malloc申请失败会返回NULL

2、自定义类型

<1>new的原理
1、调用operator new申请空间
2、调用构造函数,对申请的空间进行构造

<2>delete原理
1、在空间中调用析构函数,将对象中的空间进行清理
2、调用operator delete 函数释放对象空间

<3>new T[N] 的原理
1、调用operator new[ ]函数,在函数中调用N次operator new函数完成对对象空间的申请
2、在申请的空间上N次调用构造函数

<4>delete[ ]的原理
1、在释放空间上调用N次析构函数
2、调用operator delete[ ]函数,在函数中调用N次operator delete函数完成对空间的释放

3、new和delete不匹配的报错

#include<stdlib.h>
#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a1 = 1, int a2 = 1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

class B
{
public:
private:
	int _b1;
	int _b2;
};

我们有这两个类,假设我们连续开辟几个对象
在这里插入图片描述
上面是连续开辟了10个B的对象
new[ ] 与 deldete 配对但是没有报错
在这里插入图片描述
当相同情况下,连续开辟了10个A的对象,程序就崩溃了
这是因为operator new[ ] 对于有析构函数的对象,会在开辟空间的前面开辟一个大小为 int 的空间用来记录创建对象的数量 ,如下图size是84
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
所以在析构时位置不对就会报错,程序崩溃

六、定位new表达式(placemean-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

1、使用格式

new (place_address) type
new (place_address) type (initializer_list)
place_address 是一个指针
initializer_list 是类型的初始化列表

2、使用场景

定位new表达式一般和内存池配合使用,因为内存池中数据为初始化,所以需要通过new的定位表达式进行显示构造函数初始化

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a1 = 1, int a2 = 1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	//p1->A()这样写是不行的
	new(p1)A(2, 3);

	//在销毁时,要先调用析构函数,对对象内部成员进行销毁
	//然后再free
	p1->~A();
	free(p1);

	//看下面这个有没有感觉很熟悉,和malloc用法一样
	//因为new内核就是malloc所以如果直接用函数就和malloc基本一样
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p1)A(10);

	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

七、malloc/free 和 new/delete 的区别

相同点:
都是在堆上申请空间,并且需要手动释放
不同点:
1、malloc/free是函数,而new/delete是操作符
2、malloc申请的空间不会初始化,new申请的空间可以初始化
3、malloc申请空间需要计算大小,而new申请空间不用,只需要在后面加上类型名,若要开辟连续几个只需要在 [ ] 中加上数字
4、malloc申请空间前面必须强转,new不需要因为后面跟着空间的类型
5、malloc申请空间失败返回的是NULL,需要判空,而new不需要,new会抛异常
6、在申请自定义类型对象时,malloc/free只会申请和销毁空间,不会调用构造和析构函数,而new申请空间时会调用构造函数,delete申请空间会调用析构函数

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