C++动态内存管理详解
1.C/C++程序地址空间
计算机物理内存的大小是固定的,在32位系统上,地址空间可达4G(2^32),这4G按照3:1的比例分配给用户进程和内核。程序地址空间的构成:从上往下依次是:内核空间、栈区、共享区、堆区、未初始化数据区、初始化数据区、代码区。而动态内存管理所申请的空间都是在堆区,在堆区动态开辟的空间都需要我们手动去释放它,否则会造成内存泄漏。
内核空间:操作系统相关代码
栈区:从高地址向低地址增长
共享区:加载动态库,共享内存
堆区:从低地址向高地址增长
未初始化全局数据区
已初始化全局数据区
代码区:可执行代码及只读常量
2.C语言动态内存管理
(1)malloc
void* malloc(size_t size);
malloc()函数只有一个参数,即要分配的内存空间的大小。
如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针,如果开辟失败,则返回一个空指针,因此每次申请完空间都需要判空。
malloc()函数返回值的类型是void*,在使用时需要自己强制转换。
(2)calloc
void* calloc (size_t num, size_t size);
calloc()函数有两个参数,分别是元素的数目和每个元素的大小,这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小。
malloc申请后空间的值是随机的,并没有进行初始化,而calloc在申请后,对空间逐一进行初始化,并设置值为0;
calloc由于给每一个空间都要初始化,所以效率必然比malloc低。
(3)realloc
void* realloc (void* ptr, size_t size);
realloc()函数就实现对 动态开辟 内存大小的调整。
realloc()函数包含两个参数,分别是要调整的内存地址和调整的新大小。
realloc在调整内存空间时有两种情况:
情况1:原有空间之后有足够大的空间,我们就把需要扩展的内存直接放到原来空间的后面,原来空间的数据不发生变化。
情况2:原有空间之后没有足够大的空间,那就在堆上找一个合适大小的连续空间,将原来内存中的数据移动到新空间,然后将这个新空间的地址返回。
(4)free
void* free(void* ptr);
free函数用来释放动态开辟的函数。
3.C++动态内存管理
(1)C++为什么要设计一套自己专属的动态内存管理方式?
C++作为一门在C语言的基础上发展而来的语言,它本身是完全兼容C语言的,也就是说,C语言的动态内存管理方式在C++中依旧可以正常使用。那它为什么还要设计一套属于自己的动态内存管理方式呢?
在C++中,使用malloc/free申请或释放内置类型的空间并没有任何问题,但我们知道C++引入了类和对象的概念,而这一点带来的影响就是并不能使用malloc从堆上为对象申请空间,因为malloc并不会去主动的去调用构造函数,这意味着其并不能成为真正的对象。所以如果使用malloc只是申请了一段和对象同样大小的空间而言,并非对象。同理使用free并不能释放堆上对象的空间,因为free并不会调用析构函数去释放对象中的资源。
而且C++所提供的动态内存管理方式使用起来更加方便、简单,对用户更加友好,并且不用去担心空间可能会申请失败的情况。
(2)new/delete定义
new操作符的格式:
new 类型;
new 类型(初值);
new 类型[];
delete操作符的格式:
delete 指针变量;
delete[] 指针变量;
1)new/delete操作内置类型
int main(){
int *p1 = new int; //动态申请一个int类型的空间
int *p2 = new int(10); //动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int *p3 = new int[3]; //动态申请10个int类型的空间
//释放申请的空间
delete p1;
delete p2;
delete[] p3;
return 0;
}
2)new/delete操作自定义类型
//定义一个简单的类
class Data{
public:
//构造函数
Data(int data = 0) : _data(data)
{
cout << "Data() :" << this << endl;
}
//析构函数
~Data()
{
cout << "~Data() : " << this << endl;
}
private:
int _data;
};
int main()
{
Data *d1 = new Data; //申请单个Data类型的对象
Data *d2 = new Data(10); //申请单个Data类型的对象并初始化
Data *d3 = new Data[5]; //申请5个Data类型的对象
//依次释放申请的对象资源
delete d1;
delete d2;
delete[] d3;
//使用new/delete为类对象申请或释放空间时会主动调用构造函数/析构函数完成对象的构造/资源的清理。
return 0;
}
(3)new/delete的实现原理
new 和 delete在堆上申请和释放空间的时候,在底层实际上调用的是operator new和operator delete两个全局函数。
而operator new和operator delete最终还是调用malloc和free来申请和释放空间。
1)new/delete内置类型的原理
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。也就是说使用new操作符不需要进行判空。
2)new/delete自定义类型的原理
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.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
new[]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,在operator delete[]中实际调用operator delete来释放空间
4.malloc/free和new/delete的区别
共同点:
都是从堆上申请空间,并且需要用户手动释放。
不同点:
1.malloc和free是函数,new和delete是C++中的操作符
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只需在其后跟上类型即可
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
5.内存泄漏
内存泄漏是指你向系统申请分配内存进行使用(new/malloc),然后系统在堆内存中给这个对象申请一块内存空间,但当我们使用完了却没有归还给系统(delete),导致这个不使用的对象一直占据内存单元,造成系统将不能再把它分配给需要的程序。
一次内存泄漏的危害可以忽略不计,但是内存泄漏堆积则后果很严重,无论多少内存,迟早会被占完,造成内存泄漏。
总结
本篇文章就到这里了,希望能给你带来帮助,也希望您能够多多关注编程网的更多内容!
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