目录

      • 1.C/C++内存分布
      • 2.C语言中动态内存管理方式
      • 3.C++内存管理方式
        • 3.1new/delete操作内置类型
        • 3.2new和delete操作自定义类型
      • 4.operator new与operator delete函数
      • 5.new和delete的实现原理
        • 5.1内置类型
        • 5.2自定义类型
      • 6.malloc/free和new/delete的区别
      • 7.定位new表达式(了解)

1.C/C++内存分布

我们先来看一个小问题:

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);}

问题:

下面我们就来简单分析一下:

首先globalVar是一个全局变量,其次staticGlobalVar是一个静态全局变量,staticVar是静态局部变量,都在静态区(数据段)。最后localVar是个局部变量,num1是个整型数组,那它们是在栈上的。

char2这个字符数组也是在栈上的,只是用代码段(常量区)的常量字符串去初始化它了,然后*char2char2是数组首元素地址,那*char2就是数组首元素,也是是在栈上。pChar3是一个局部指针变量,在栈上,但是pChar3指向常量区的常量字符串,所以 *pChar3是在常量区。ptr1也是局部指针变量,在栈上,ptr1指向的空间是malloc出来的,在堆上。

我们下面再来看几个题:


sizeof(num1),num1是10个元素的整型数组,数组名在sizeof里面代表整个数组,所以答案是40; sizeof(char2), char2里面有5个字符(字符串隐藏结束标志\0),所以答案是5; strlen(char2)求字符串长度,是4 ; sizeof(pChar3),指针变量,大小为4或8字节; strlen(pChar3),同样求长度是4; sizeof(ptr1),指针变量,4或8字节。

我们再来看一下C/C++内存区域划分:

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

2.C语言中动态内存管理方式

我们简单看一下C语言中的内存管理方式:

void Test(){int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);// 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);free(p3);}

malloc和calloc它们都可以在堆上开辟内存空间,除了传参不一样之外,两者的区别在于calloc会把开辟出来的空间全部初始化为0,而malloc不会去初始化。realloc可以扩容(有两种方式一种是原地扩、另一种是异地扩)。

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

在C语言中:

我们使用malloc/calloc去申请空间,需要自己计算需要开辟空间的大小,然后传参,返回值呢是void*,还需要我们自己强转。

那么在C++中我们可以这样:


在这里用一个操作符new,我们不需要sizeof计算大小,可以直接给类型,而且也不需要强制类型转换。

同样的动态申请10个整型大小的空间:

C++搞出new和delete更多的是为了自定义类型,那new和delete操作自定义类型我们后面也会专门讲解。此外内置类型new出来的空间是没有被初始化的,但是C++其实有方法去对new出来的空间进行初始化:

上图就是动态申请一个int类型大小空间并初始化为10

对于我们使用new动态开辟的数组,我们可以初始化吗?
也是可以的:

下面我们再来看一个和new操作符“配套”的delete

在C语言中使用malloc/calloc在堆上开辟出来的空间需要要使用free释放。
那在C++中我们new出来的空间需要使用一个操作符叫做delete

同样的使用new动态开辟的数组销毁:

注意delete后面加一个方括号

注意:匹配起来使用
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[]

3.2new和delete操作自定义类型

我们上面提到:C++使用new和delete更多的是为了自定义类型,那接下来我们就来看一下new和delete对于自定义类型有什么特别的地方。

下面我们举个简单的例子:

class A{public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;};

对于下面这两种写法有什么区别:

用malloc就只是开辟了空间。用new除了开辟空间还自动调用了构造函数进行初始化。free只是释放了空间;delete除了释放指针指向的空间还会调用析构函数对自定义类型进行析构。

总结:
在申请和释放自定义类型的空间时,new会自动调用构造函数,delete会自动调用析构函数,而malloc与free不会

4.operator new与operator delete函数

虽然这两个函数的函数名是operator 操作符,但是, operator new与operator delete并不是new和delete的重载,operator new与operator delete是库里面的两个全局的函数

这里 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

下面我们来看一下它们的底层实现:


operator new实际也是借助malloc来申请空间的,申请成功直接返回,申请失败则抛异常


operator delete实际也是利用free来释放空间的

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

5.new和delete的实现原理

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

  1. new的原理
  1. 调用operator new函数申请空间,operator new实际又调用malloc
  2. 在申请的空间上执行构造函数,完成对象的构造
  1. delete的原理
  1. 在要释放的对象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,operator delete实际调free释放对象的空间
  1. 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
  1. delete[]的原理
  1. 在要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.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
  5. malloc申请空间失败时,返回的是NULL,因此使用时要判空
  6. 申请自定义类型对象时,malloc/free只会开辟和释放空间,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

7.定位new表达式(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是参数列表
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,需要使用定位new显式调用构造函数进行初始化。