C语言与C++中内存管理详解

2024-04-02 19:55

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内存分布

主要段及其分布

每个程序运行起来以后，它将拥有自己独立的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间的大小与操作系统的位数有关系。32位硬件平台的虚拟地址空间的地址可以从0~2^32-1,即0x00000000~0xFFFFFFFF,总共4GB大小。64位硬件平台的虚拟地址空间则会很大。C/C++程序在虚拟内存中的排布大概如下所示（仅仅列出了相关的主要段）：

如上图所示：

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，注意不释放的话会造成内存泄漏。

3、数据段（静态区）（static）—，全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后由系统释放。

4、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。

5、代码段—存放函数体的二进制代码，直接的操作数也是存储在这个位置的。如int a=4;。

动态内存管理方式-堆区

C语言动态内存管理

C语言中使用malloc/calloc/realloc/free四个函数来进行动态内存管理

1、malloc：用来动态申请一块内存，但不初始化。

2、calloc: 动态申请一块内存，但会将申请出的内存初始化为0。

3、realloc: 当申请出的内存不够用时，会使用realloc来动态扩容（会有一定程度的消耗）。

4、free：用来释放动态申请的的内存(当内存不用时一定要使用free来释放它，否则会造成内存泄漏)

C++动态内存管理

因为C++是兼容C的也可以使用上述的几个函数来进行内存管理，但是C++中引入了new/delete两个操作符来进行内存的申请和释放。

new和delete的用法

1、操作内置类型

//申请单个对象
int *p1=new int;//动态申请一块int类型的空间。
int *p2=new int(3);//动态申请一块int类型的空间，并将其初始化。

delete p1;
delete p2;

//动态申请一块连续空间
int *p3=new int[10];//[]中是对象个数

//释放
delete [] p3;

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[]。

2、操作自定义类型

class Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
int main()
{
    //申请单个自定义类型的空间
    Test* p1=new Test;
    delete p1;
    
    //申请多个自定义类型的连续空间
    Test* p2= new Test[10];
    delete [] p2;
    
    return 0;
}

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。

operator new与operator delete函数

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，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户1设置了，则继续申请，否则抛异常。

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:该函数实际通过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); 
    __TRY
        
        pHead = pHdr(pUserData);
        
        _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
        _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );
    __FINALLY
        _munlock(_HEAP_LOCK); 
    __END_TRY_FINALLY
    return;
}

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malloc，delete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

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

delete的原理

1、调用operatordelete 函数释放空间
2、在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作

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

定位new表达式

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。

class Test
{
public:
    Test()
        : _data(0)
    {
        cout<<"Test():"<<this<<endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout<<"~Test():"<<this<<endl;
    }
private:
    int _data;
};
void Test()
{
    // pt现在指向的只不过是与Test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
    Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));
    new(pt) Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
}

高频面试题

重点new/delete和malloc/free的区别

1、属性

new/delete是C++关键字，需要编译器支持。malloc/free是库函数，需要头文件支持。

2、参数

使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小，编译器会根据类型信息自行计算。而malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。

3、返回类型

new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。而malloc内存分配成功则是返回void * ，需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。

4、分配失败

new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常。malloc分配内存失败时返回NULL。

5、自定义类型

new会先调用operator new函数，申请足够的内存（通常底层使用malloc实现）。然后调用类型的构造函数，初始化成员变量，最后返回自定义类型指针。delete先调用析构函数，然后调用operator delete函数释放内存（通常底层使用free实现）。

malloc/free是库函数，只能动态的申请和释放内存，无法强制要求其做自定义类型对象构造和析构工作。

6、重载

C++允许重载new/delete操作符，特别的，布局new的就不需要为对象分配内存，而是指定了一个地址作为内存起始区域，new在这段内存上为对象调用构造函数完成初始化工作，并返回此地址。而malloc不允许重载。

7、内存区域

new操作符从自由存储区（free store）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上动态分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。自由存储区不等于堆，如上所述，布局new就可以不位于堆中。