c++内存管理

• C/C++内存分布
• C语言中动态内存管理的方式
• C++动态内存管理
• • new/delete操作内置类型
  • new和delete操作自定义类型
• operator new与operator delete函数
• new和delete的实现原理
• • 内置类型
  • 自定义类型
• 定位new表达式(placement-new)
• 常见面试题
• • malloc/free和new/delete的区别
• 小结

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C/C++内存分布

我们先来通过下面代码来解答一些问题>

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);}1. 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？____ staticGlobalVar在哪里？____staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____num1 在哪里？____char2在哪里？____ * char2在哪里？___pChar3在哪里？____ * pChar3在哪里？____ptr1在哪里？____ * ptr1在哪里？____2. 填空题：sizeof(num1) = ____;sizeof(char2) = ____;strlen(char2) = ____;sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;

这里我们补充一些内存中数据存放的位置的知识点>

先来看第一题>
globalVar是定义在全局的变量所以他的作用域是全局的，全局变量和static修饰的变量都放在静态区；
staticGlobalVal是通过static修饰的静态变量，所以他也是存在静态区的；
staticVar虽然是局部的变量，但他用static修饰成为了静态变量，所以他也存储在静态区；
localVar是局部变量没有用static修饰，他是由main函数创建的栈帧中的变量，所以他是存储在栈区；
num1是数组名表示数组首元素的地址，同样也是存储在main函数的栈帧中；
所以第一部分应该选：C C C A A
我们再来看第二部分>
char2是数组名表示首元素的地址，字符数组”abcd”存储在常量区，但是函数栈帧中将常量区的”abcd”拷贝了一份赋给char2，所以char2是存储在栈区；
*char2对char2进行解引用解引用的内容是从静态区拷贝过来存放在栈区的”abcd”中的首字符’a‘ ,所以*char2也是存储在栈区中；
pChar3是一个被const修饰的指针变量，指针变量是main函数栈帧创建的，所以是存储在栈区的；
*pChar3 是对pChar3所指向内容的解引用，pChar3指向的静态区的“abcd”，所以 *pChar3是存储在静态区的；
ptr1也是指针变量，所以也存储在栈区；
*ptr1是对ptr1进行解引用，ptr1指向的是malloc的一块空间是属于堆区上的，所以 *ptr1是存储在堆区；
所以第二部分应该选：A A A C A B
再来看第二题>
sizeof(num1)：num1数组名，对数组名求大小是算的整个数组的大小，所以是10 *4=10；
sizeof(char2)：char2是数组名，求出来是1 * 5=5；
strlen(char2)：strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’，所以大小为4；
sizeof(pChar3)：pChar3是指针变量，指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节，所以结果为：4/8；
strlen(pChar3)：strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’，所以大小为4；
sizeof(prt1)：ptr1是指针变量，指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节，所以结果为：4/8；
所以最终答案：10 、4、 4/8、 4、 4/8
我们画图来理解具体的存储位置>

【说明】

1. 栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 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.
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

C语言中动态内存管理的方式

这里可以看C语言进阶中的内存管理>
传送门(C语言动态内存管理)

C++动态内存管理

C语言内存管理的方式在C++中可以继续使用，但有些地方还有不足，而且使用起来比较麻烦，因此C++中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。

new/delete操作内置类型

我们对比C语言中的malloc来学习C++中的new>

int main(){//cint* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);//cppint* p1 = new int;delete p1;//cint* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);free(p2);//cppint* p2 = new int[10];delete[] p2;return 0;}

我们可以看到使用new的会比malloc简洁一点。
再来看>

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3个int类型的空间,并初始化为1，2，3int* ptr6 = new int[3]{1,2,3};delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;}

我们来调试看>

可以看到ptr5和ptr6都被初始化了。

【注意】：申请和释放的单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，必须匹配使用。

new和delete操作自定义类型

class A{public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;};int main(){// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间 还会调用构造函数和析构函数A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // Cint* 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;}

可以看到当我们new一个对象的时候会自动调用构造函数，delete的时候会自动调用析构函数，而malloc和free不会调用。

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)

free其实是一个宏函数，new申请空间失败了会抛异常，而malloc申请失败会返回NULL，new底层也是通过malloc来申请内存的。
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。
我们用new来申请1024*1024个int大小的内存>

int main(){int* p1 = nullptr;do{p1 = new int[1024 * 1024];cout << p1 << endl;} while (p1);return 0;}

我们来进行调试>

通过调试可以看到new申请空间失败确实是抛出异常。
我们再来通过汇编代码来观察调用new和delete的具体方式>

class A{public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;};int main(){A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));A* p2 = new A(1);operator delete(p1);delete p2;return 0;}

我们调试进入反汇编>

可以看到new执行调用了两个函数一个是operator new函数和构造函数。
再来看delete>

delete 是先调用析构函数再调用operaator delete函数来进行空间的释放。

new和delete的实现原理

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。

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
  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(placement-new)

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 new int main(){// p1现在指向的只不过是与A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A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//显示调用构造函数new(p1)A;// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;}

这里可以看到定位new对一块申请的空间进行了显示调用构造函数。

常见面试题

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：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
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只需在其后跟上空间的类型即可， 如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
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
5. 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

小结

今天我们认识了new和delete的用法相信大家看完有一定的收获。
种一棵树的最好时间是十年前，其次是现在！ 把握好当下，合理利用时间努力奋斗，相信大家一定会实现自己的目标！加油！创作不易，辛苦各位小伙伴们动动小手，三连一波~~~，本文中也有不足之处，欢迎各位随时私信点评指正！
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