C&C++动态内存管理

C&C++动态内存管理

C语言动态内存管理

关于C语言动态内存管理实际上就三个函数malloc和calloc以及realloc更多的是去理解用C语言去实现数据结构阶段如果细心你就会可以发现所有的数据结构都是使用动态内存管理的方式在堆区上开辟空间来进行处理的关于C语言的内存管理链接放在这里C语言动态内存管理http://t.csdn.cn/gIXSr有需要的可以点进去复习。

下面作为一道检验C语言动态内存管理的一道经典题目

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);
}
1. 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____ staticGlobalVar在哪里____
staticVar在哪里____ localVar在哪里____
num1 在哪里____
char2在哪里____ *char2在哪里___
pChar3在哪里____ *pChar3在哪里____
ptr1在哪里____ *ptr1在哪里____
2. 填空题
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别

三道题我相信很多人未必能全部做对这其实是对动态内存的理解的还是不够深刻下面是答案

C/C++中程序内存区域的划分

C++动态内存管理

因为C++兼容C语言所以C语言的那套当然可以继续用但是有些时候会比较麻烦就显得有些无力了所以C++又做出了自己的一套东西new和delete操作符是的你没有看错new和delete是操作符而不是函数C语言的三个是函数而C++中的new和delete是操作符。这是第一个要记住的点。

new和delete

new和delete操作内置类型

void Test()
{
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int(5);
	int* p3 = new int[5];
	int* p4 = new int[5] {1, 2, 3};
    delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
}

可以看到如果不初始化申请出的空间默认是随机值。而数组部分初始化剩余部分初始化为0。

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。

如果你好奇malloc和deletenew和free这样有什么后果大可以去验证一下。

可以看到不同编译器下是不同的我的VS2022似乎是意识到了问题将代码优化了一下但是又没有完全优化而是进程结束卡住结束不了只有终止进程才可以结束。而在DevC++中则是直接编译失败。在VS2019中的结果应该是直接弹出一个debug的窗口和蜂鸣类似于assert断言时的出错所以这种做法当然是不可取的研究一下玩玩满足一下好奇心就可以了知道这是不合理的以后配对使用即可。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a=0, int b=0)
		:_a(a), _b(b)
	{
		cout << "我是构造函数" << endl;
	}
	~A() 
	{
		cout << "我是析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
	int _b;
};

void Test()
{
	A* p1 = new A(3, 4);
	delete p1;
	A* p2 = new A[5]{ A(1,2),A(3,4),A(5,6),A(7,8),A(9,10) };
	//A* p2 = new A[5]{ (1,2),(3,4),(5,6),(7,8),(9,10)}; 不可以这样写这里面的括号会被认为是逗号表达式
	delete[] p2;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行代码就会发现实际上new和delete它们相比于malloc和free的特点就是会调用默认构造函数和析构函数

那么如果没有默认构造函数呢直接报错。

我们从底层其实也可以看到确实是调用了默认构造和析构函数

而对于自定义类型new和delete和malloc和free其实没有本质区别这点从底层也可以看出来。

所以就可以总结一下了

• new和delete在操作内置类型时和malloc和free没有本质区别都是开辟空间。
• new和delete在操作自定义类型时new除了开辟空间外还调用构造函数delete除了回收空间外还调用析构函数。

new和delete实现原理

operator new和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

我们上面说过new和delete是操作符而不是函数那么其实现原理其实就是调用底层的函数。

函数名operator new 和operator delete听起来似乎像是重载但是实际上不是重载仅仅是全局函数而已。

下面是operator new的operator delete的库里面的源码

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);
}
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;
}

当然看不懂没关系我们只需要看一下拿到我们想要的东西即可我们需要注意的是下面两处地方

可以看到在operator new中是有调用malloc的在operator delete中是调用了一个_free_dbg用的是和free是一样的东西这就是我们要注意的东西当然绝对不是简单的调用否则这两个函数就没有存在的必要了下面要重点见识一下的是operator new的东西面向对象的语言中出现错误是喜欢抛异常包括java和Python等语言也一样而不是像C语言一样返回错误码。

像这样一直去申请内存最后申请失败时就会抛出一个异常。异常则是需要去捕获的

此时显示出的bad allocation则是捕获到的异常。

上面听不懂也没有关系不重要重要的是我们知道了operator new绝对不是简单的调用malloc函数去开辟空间的而是在malloc的基础上进行封装毕竟有现成的函数当然不会再去从头搞。operator delete则没有什么异常之类的注意就是多了一些检查之类。

new和delete的实现原理

这时候我们就可以理解new和delete了现在来做一下总结

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。

对于自定义类型则要分情况

• new的原理

1. 调用operator new函数申请空间

2. 在申请的空间上执行构造函数完成对象的构造

3. 

• 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

3. 注意顺序先调用析构再调用operator delete。

4. 

• 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

下面两个作为了解即可。和上面其实一样只是申请的是连续的空间。

定位new表达式(placement-new)

定位new这个语法呢了解即可使用的场景不多但是也会有至少要留下一个印象。

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

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(10);//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;
}

其实就是先开好空间然后手动调用构造函数和析构函数最后释放指针的操作。就是从自动变到了手动。这时候肯定有人有疑问了我知道你很急但是你先别急既然大佬这么设计了当然就有它独特的应用场景。

这里简单提一下内存池的技术

当然了这其实是一种小众的需求为了提高效率有时会使用。例如STL中就有这样的操作。

总结malloc/free和new/delete的区别

这个问题也是以后经常要被问到的问题例如考试面试复试等可能会经常出现。一定不要死记硬背要理解着去记忆如果是考试或许你背住能过关但是复试面试的话一眼就能看出来。

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

内存泄漏

关于内存泄漏其实是个很复杂的问题否则也不会困扰很多人了现在就先暂时不展开说了以后知识丰富了再来解决这个问题。