浅谈C++内存管理基础知识

2024-04-02 19:55

短信预约 -IT技能 免费直播动态提醒

概述

内存管理的原理庞大而复杂，然而这些都被操作系统进行了封装，并对外预留了API，这些api被c++调用，同时也被c++再次进行了封装，再面向程序员预留出了语法特性的接口，作为使用c++的程序员，我们只需要掌握c++预留的内存管理特性即可，就像我们开车不需要管变数箱、发动机是怎么变速、点火的，我们只需要掌握汽车给我们预留的接口，方向盘、刹车、油门如何使用即可。

c++程序容易出bug，主要就是因为内存管理部分的复杂性 ,java、python等语言提供了更多的封装，所以降低了程序员的操作难度和犯错的可能。就像自动档的汽车一样，没有了离合，自然就不会因操作失误把变速箱损坏。

c++可用内存

c语言的可用内存

在c语言中我们的可用内存主要分以下几个区域：

栈，用于存放局部变量。
全局数据区/静态数据区，用于存放全局变量和静态局部变量。
const数据区，该区域在内存中实际是没有指定分区的，他存在于全局数据区或者栈中，const不能被修改是被编译器限制的，在物理内存中根本就没有只读类型的内存。所以有时候我们在讨论分区的时候，不会提到const区，因为他根本就没有独立存在。
代码段，当然是用来存放代码，在linux下，我们的可执行代码从rom中读取到内存中执行，虽说内存可读可写，但是在操作系统的监控下，这段内存也是只读不写的区域。
堆，c中的堆由malloc申请，free释放，底层也是由操作系统提供给我们的程序的一段内存。

c++新增内存区域

c中的内存分区在c++中全部都存在，而c++新增了自由存储区，使用new来申请，delet来释放，实际和malloc申请的内存在一个区域，new使用内存示例如下：


int *p = new int;
*p=6;
cout << "*p=" << *p << endl;
delete p;

new和malloc

linux平台中new内部其实还是通过malooc来申请的内存，只是附加做了些其他工作，例如调用类的构造函数来初始化。malloc返回的就像一块荒地，需要你自己来规划，而new返回的是一个修好基建的区域给你。

malloc	new
c库函数	运算符、关键字
分配空间由传参决定	大小由数据类型决定，编译器自动计算
返回值void *	明确的类型，申请啥返回啥
free释放	delete、delet[ ]释放
申请内存不初始化	可以隐式和显示初始化
无构造函数	执行构造函数
申请失败返回NULL	申请失败返回bad_alloc异常

智能指针引入

我们说，cpu决定了汇编指令、汇编决定了c和c++，所以c/c++的指针是天然的，用来支持汇编的间接寻址，可以说是cpu决定的指针。所以指针是无法避开的，指针的优势是太灵活，劣势也是太灵活，尤其是与动态内存、构造、析构结合使用后容易出错，所以c++发明了一种智能指针，有程序员和专门设计的自动管理机制共同把控以减少出错。这种自动管理机制在c中就有体现，如栈就是自动管理的结果。

智能指针是普通指针的升级版，本身具备指针的功能，且多出一些自动释放资源的机制，当然，智能指针的使用会比普通指针要多消耗一些资源和开销。在c++中，智能指针不是唯一的，有很多类型的智能指针，各有优劣和适应的场景。使用智能指针时，须按照设计，正确使用，否则容易导致灾难。

智能指针的实现

将普通指针封装为栈式复合指针对象，内部包含了除了真正指向目标的指针外还有些其他东西，如使用次数记录等，要使用智能指针，我们需要注意以下问题：

将智能指针本身定义为局部（栈上），实现指针本身被自动回收的。
智能指针内部设计为当指针本身要被弹栈释放时，执行事先挂接好的清理函数，也就是说智能指针内部应该有一个函数指针，指向我们的清理函数。
智能指针需要使用库为其提供的方法和运算符来重载使用。

java延伸

java语言整体框架

为了保证知识的完整，我们简单的介绍一下java的内容，来了解一些优质方法。


cpu ->系统内核 -> 应用层框架 -> java虚拟机 -> Java字节码 -> java源码

从上面的架构，我们能看出来，java比c/c++多了三层，java的源码编译输出的并不是cpu可执行的机器码，而是被编译成java字节码，这个东西完全是java自己定义的一种东西，只能在JVM（java虚拟机）上运行， JVM再基于一些内核提供的框架来运行，所以说java是一种解释性语言，他完全靠JVM进行解释，而c/c++是编译型语言，源码直接编译成cpu可执行的机器码。正因为有了JVM，所以java可以跨平台运行，哪里有JVM哪里就可以运行java，前提是不同平台的JVM能相互兼容，java的运行稳定性取决于JVM。