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C++ 内存管理原理分析

2024-04-02 19:55

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1.C/C++中程序内存分布

C/C++中程序内存区域大致划分为：内核空间（这部分用户不能读写）、栈、内存映射段、堆、数据段（存储全局数据、静态数据）、代码段（存储可执行代码、只读常量，又称常量区）。

1.1 内存分布图

1.2 小试牛刀

接下来看下如下代码，思考下每一个变量分别在哪个内存区域？


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";
	char *pchar3 = "abcd";//有的编译器会报错，需要用const char 
	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(ptr2);
}

上述代码段对应变量区域划分如下：

2.C语言部分的动态内存管理方式

再来回顾一下之前C语言部分的动态内存管理方式：malloc / calloc/ realloc和free

带着两个问题阅读下述程序段:

1.malloc / calloc/ realloc的区别是什么？

2.最后需要free(p2)吗？


void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);

	free(p3);
}

答：

1.calloc相当于malloc+memset(0),即开空间+初始化。

2.realloc是对malloc/calloc的空间进行扩容，扩容之下又涉及到了咱们前面所讲的原地扩容和异地扩容俩种情景：原地扩容p2和p3是一样的，也有可能是异地扩容，那么p2指向的空间已经被释放了，所以两种情况下我们都可以不需要处理p2。

3.C++内存管理方式

总之就是C语言那套内存管理方式相对麻烦，所以C++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.

3.1new/delete操作内置类型

1.开辟单个元素

开辟单个元素基本语法: type * ptr = new type(content); ,可以理解成动态申请一个type类型的空间并将其中内容初始化为content，当然，你也可以选择不初始化。

释放空间语法: delete name;

例：


int* a = new int(100);  //动态申请一个int类型的空间并初始化为100
delete a;

2.开辟n个type类型的空间

开辟n个type类型基本语法: type* name = new type[n]

删除的基本语法:delete[] name;

例：


int* ptr = new int[100];//动态申请100个int类型的空间
delete[] ptr;           //注意哦！一定要匹配哦！不然必崩溃！

3.对于内置类型，malloc/free和new/delete确实没有什么区别，二者的作用完全一样。

例：


int main()
{
	//malloc向内存申请4个整型大小的空间
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	//new向内存申请4个整型大小的空间
	int* p2 = new int[4];
	//free释放掉p1申请的空间
	free(p1);
	p1 = nullptr;
	//delete释放掉p2申请的空间
	delete[] p2;
	return 0;
}

3.2 new/delete操作自定义类型


class  Date
{
public:
	Date(int year=2021, int month=1, int day=1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


int main()
{
	//malloc申请十个Date空间
	Date* p1 = (Date*)malloc(sizeof(Date) * 10);
	free(p1);

	//new申请十个Date空间
	Date* p2 = new Date[10];
	delete[] p2;

	return 0;
}

区别：在申请自定义类型空间的时候，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而mallo和free不会哦！

4.new和delete底层实现原理（important!!!)

在讲解他们的底层实现原理之前需要先先介绍一下两个全局函数,分别是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在底层通过调用operator delete全局函数来释放空间。

4.1operator new/operator delete

operator new封装了 malloc 和失败抛异常俩个部分，

下面是operator new的代码：


void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)              //如果开辟成功就不会进入循环,并且可以清晰
		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);
}

类似的，operator delete封装了free

下面是operator delete的代码：


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;
}

总结：通过观察上述俩个全局函数的实现，不难发现operator new实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常，operator delete最终是通过free来释放空间的。

4.2new和delete的实现原理

内置类型

malloc/free与new/delete在处理内置类型时并没有区别，只是malloc申请空间失败时返回空指针，而new申请空间时是抛异常，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。

自定义类型

1.new的原理：1.调用operator new函数申请空间。2.在申请空间上执行构造函数，完成对象的初始化。

2.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函数释放空间。

另外new T[N]的原理：调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用N次operator new函数完成N个对象空间的申请，然后在申请的空间上执行N次构造函数。**delete[]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。然后调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用N次operator delete来释放空间。

初学者看到“delete调用析构函数，完成对象资源的清理工作，后边又调用operator delete函数释放空间”这部分内容时可能会比较混乱，这里以栈为例子详细说下：


struct Stack
{
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
	Stack(int capacity = 4)
		:_a(new int[capacity])
		,_size(0)
		,_capacity(capacity)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;
	}
	~Stack()
	{
		delete _a;
		_top = _capacity = 0;
		cout << "~Stack()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Stack st;

	Stack* ps = new Stack;
	delete ps;
	return 0;
}