【C++升级之路】第五篇：C/C++内存管理（new和delete的实现原理）
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🍭🍭系列专栏【C++学习与应用】
✒️✒️本篇内容C/C++内存分布C/C++动态内存管理方法C++动态内存管理方法底层函数operator new 和operator delete函数实现new和delete的实现原理定位new的概念和基础应用内存管理常见面试题。
🚢🚢作者简介计算机海洋的新进船长一枚请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-
目录
malloc/calloc/realloc/freemalloc/calloc/realloc的区别是什么
四、operator new与operator delete函数底层
一、C/C++内存分布
大家可以通过下面这张图来进行直观的认识
【说明】
- 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。
- 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如果没学到这块现在只需要了解一下
- 堆--用于程序运行时动态内存分配堆是可以上增长的。
- 数据段--存储全局数据和静态数据。
- 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
void Test()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
// 这里需要free(p2)吗 - 需要
free(p3);
}malloc/calloc/realloc/freemalloc/calloc/realloc的区别是什么
相同点
- 都是从堆上申请空间
- 都需要对返回值判空
- 都需要用户free释放
- 返回值类型相同都是void*
- 都需要类型转化
- 底层实现是一样的都需要开辟多余的空间用来维护申请的空间。
不同点
- 函数名字不同参数类型不同简单来说就是使用方法不同
- calloc函数会对申请空间初始化并且初始化为0
- malloc函数申请空间必须使用memset进行初始化
- realloc函数是对已经存在的空间进行调整具体有两种情况这里就不展开了。
三、C++内存管理方式重要
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自定义类型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。
1.new/delete操作内置类型
我们来看一段代码通过代码来了解一下具体的使用 方式
void Test()
{
// 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10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}接下来在通过下面这幅图深入理解一下
【注意】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[]注意匹配起来使用。也就是不可以new和delete[]搭配使用也不可以new[]和delete搭配使用。
2.new和delete操作自定义类型
【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。有兴趣的同学可以通过下面的代码调试验证一下。
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));
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;
}四、operator new与operator delete函数底层
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。
- 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则会抛异常。
- operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
- 在new 和 delete的使用中如果失败不同于C语言的malloc 和 free会出现程序错误或崩溃而是会抛异常。原因是因为C++对new 和 delete的底层代码进行了封装将错误与C语言区别开。
下面是一段operator new 和 operator delete的底层代码实现我们了解一下即可初学阶段不必深入研究
/*
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则会抛异常。
*/
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)五、 new和delete的实现原理
1.内置类型
如果申请的是内置类型的空间new和mallocdelete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
1new的原理
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数完成对象的构造
2delete的原理
- 在空间上执行析构函数完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
3new T[N]的原理
- 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
- 在申请的空间上执行N次构造函数
4delete[]的原理
- 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
- 调用operator delete[]释放空间实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
六、定位new表达式(placement-new) 了解
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。
下述代码是定位new的简单应用大家了解一下即可
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);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}七、相关常见面试题重要
1.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
- malloc和free是函数new和delete是操作符
- malloc申请的空间不会初始化new可以初始化
- 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
- 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
- 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需要捕获异常后面会提及
- 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
2.内存泄漏
1什么是内存泄漏内存泄漏的危害
什么是内存泄漏内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失而是应用程序分配某段内存后因为设计错误失去了对该段内存的控制因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害长期运行的程序出现内存泄漏影响很大如操作系统、后台服务等等出现内存泄漏会导致响应越来越慢最终卡死。
void function()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行p3没被释放.
delete[] p3;
}2内存泄漏分类了解
C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏
- 堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放那么以后这部分空间将无法再被使用就会产生Heap Leak。
- 系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉导致系统资源的浪费严重可导致系统效能减少系统执行不稳定。
3如何检测内存泄漏了解
内存泄漏非常常见解决方案通常分为两种1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
🌹🌹C/C++内存管理的知识大概就讲到这里啦博主后续会继续更新更多C++的相关知识干货满满如果觉得博主写的还不错的话希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦你们的支持是博主坚持创作的动力💪💪