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【C++干货篇】——C/C++内存管理

19 人参与  2024年10月29日 12:00  分类 : 《资源分享》  评论

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【C++干货篇】——C/C++内存管理

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文章目录

【C++干货篇】——C/C++内存管理1.C/C++内存分布1.1静态区/数据段:1.2常量区/代码段:1.3栈:1.4堆:1.5. 内存映射区: 2.C语言中动态内存管理方式:`malloc/calloc/realloc/free`1. `malloc`2. `calloc`3. `realloc`总结 3.C++内存管理方式3.1new/delete操作内置类型(内置类型用malloc还是new区别不大)3.2new和delete操作 自定义类型(推荐用new) 4.operator new与operator delete函数(重要点)5.new和delete的实验原理5.1内置类型5.2自定义类型 6.定位new表达式(placement-new)(了解)7.malloc/free和new/delete的区别!!!

1.C/C++内存分布

在 C/C++ 程序中,内存区域通常被划分为几个主要区域,这些区域在虚拟进程地址空间中具有不同的用途。下面是对每个区域及其存储内容的简要介绍:

1.1静态区/数据段:

存储内容:全局变量、静态变量(包括静态局部变量)、未初始化的全局变量和静态变量(这些变量在内存中默认为零)。
特性:静态区的生命周期是在整个程序运行期间,内存分配在程序启动时进行,程序结束时释放。

1.2常量区/代码段:

存储内容:常量数据,例如字符串常量、常量字符、整数常量等。

特点:常量区通常是只读的,编译器在优化时可能会将相同的常量合并存储以节省内存。

1.3栈:

存储内容:局部变量、函数参数、返回地址、函数调用时的上下文信息等。

特性:栈采用后进先出管理方式,内存分配和释放是在函数调用的过程中自动进行的。**函数调用建立栈帧,调用结束栈帧销毁。**栈的大小通常是有限的,如果使用过多会导致栈溢出。

1.4堆:

存储内容:动态分配的内存块,例如通过 mallocnew 分配的内存。

特性:堆的内存管理由程序员控制,可能导致内存泄漏(memory leak)或堆碎片化。堆的大小通常受限于系统的可用内存。

1.5. 内存映射区:

存储内容:动态链接库(DLLs)、共享内存、文件映射等。

特性:内存映射区域用于将特定的文件或设备映射到进程的地址空间中,可以实现高效的文件I/O、进程间通信等功能。

总结起来,这些内存区域在程序运行中承担着不同的职责,合理使用它们可以有效管理内存,提高程序的性能和稳定性。

我们来看下面的一段代码和相关问题:

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);}

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?C——全局变量

staticGlobalVar在哪里?C——静态变量

staticVar在哪里?C——局部静态变量,Test函数结束,它不销毁

localVar在哪里?A——局部变量

num1 在哪里?A——局部变量

char2在哪里?A

*char2在哪里?A

pChar3在哪里?A

*pChar3在哪里?D

ptr1在哪里?A

*ptr1在哪里?B

2.C语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free

void Test (){    // 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么?    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);    // 这里需要free(p2)吗?    free(p3 );}

malloc/calloc/realloc的区别?

在C语言中,malloccallocrealloc都是用于动态内存分配的函数,虽然它们有相似的目的,但各自的用法和特点不同:

1. malloc

函数原型void* malloc(size_t size);功能:分配一块指定大小(以字节为单位)的未初始化内存。返回值:返回指向分配内存的指针。如果分配失败,返回 NULL初始化malloc 分配的内存内容是未定义的,可能包含任意数据。

2. calloc

函数原型void* calloc(size_t num, size_t size);功能:分配一块内存,其大小是 num 个对象,每个对象的大小是 size 字节。实际上分配的总内存是 num * size 字节。返回值:同样返回指向分配内存的指针。如果分配失败,返回 NULL初始化calloc 分配的内存会被初始化为零。

3. realloc

函数原型void* realloc(void* ptr, size_t size);功能:重新分配 ptr 指向的内存块的大小为 size 字节。如果 ptrNULL,则相当于调用 malloc;如果 size 为 0,则相当于调用 free(ptr)返回值:返回指向新分配内存的指针。如果重新分配失败,原来的内存块不会被释放,返回值为 NULL特点realloc 可能会移动原来的内存块到新的位置,如果移动成功,原指针的内存会被释放,因此需要保存返回的新指针。

总结

malloc:分配未初始化内存。calloc:分配并初始化为零的内存。realloc:改变已有内存块的大小,并可能移动内存块。

使用这些函数时,记得调用 free 来释放不再需要的内存,以防止内存泄漏。

3.C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用,但有些地方就无能为力,而且使用起来比较麻烦,因此C++又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(内置类型用malloc还是new区别不大)

void Test(){    // 动态申请一个int类型的空间    int* ptr4 = new int;    // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10    int* ptr5 = new int(10);        // 动态申请10个int类型的空间    int* ptr6 = new int[3];    int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};    int* ptr8 = new int[5]{1,2,3};        delete ptr4;    delete ptr5;    delete[] ptr6;}

在这里插入图片描述

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

3.2new和delete操作 自定义类型(推荐用new)

class A{public:    A(int a = 0)    : _a(a)    {        cout << "A():" << this << endl;    }    ~A()    {        cout << "~A():" << this << endl;    }private:    int _a;};int main(){    //只申请空间A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));        //申请空间+调用构造函数A* p2 = new A(1);//没有默认构造可以自己传参    A* p3 = new A;//可以调用默认构造    free(p1);//只释放空间        //调用析构函数+释放空间delete p2;    delete p3;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); int* p4 = new int;    free(p3);delete p4;    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];    free(p5);delete[] p6;    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。

4.operator new与operator delete函数(重要点)

newdelete是用户进行动态内存申请和释放的操作符operator newoperator 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施,如果改应对措施用户设置了,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 bytesvoid* 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: 该函数最终是通过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); /* 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_FINALLYreturn;}/*free的实现*/#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道,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。

5.new和delete的实验原理

5.1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。

5.2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.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 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

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

6.定位new表达式(placement-new)(了解)

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 A{public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;};// 定位new/replacement newint main(){A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A)); new(p1)A; p1->~A();    free(p1);    A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);    return 0;}

7.malloc/free和new/delete的区别!!!

malloc/free和new/delete的共同点是:都是从堆上申请空间,并且需要用户手动释放。不同的地方是:

malloc和free是函数,new和delete是操作符;

malloc申请的空间不会初始化,new可以初始化;

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;

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;

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;

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释放

最后,本篇文章到此结束,感觉不错的友友们可以一键三连支持一下笔者,有任何问题欢迎在评论区留言哦~


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