内存管理
- 一.C/C++内存分布
- 二.C++内存管理方式
- 三.operator new与operator delete函数
- 四.new和delete的实现原理
- 五.定位new表达式(placement-new)
- 六.malloc/free和new/delete的区别(面试点)
一.C/C++内存分布
总结:
- 栈(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。
- 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。(Linux课程如果没学到这块,现在只需要了解一下)
- 堆:用于程序运行时动态内存分配,堆是可以上增长的。
- 数据段:存储全局数据和静态数据。
- 代码段:可执行的代码/只读常量。
我们先来看下面的一段代码和相关问题:
二.C++内存管理方式
C语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free。
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。
1.new、delete操作内置类型
#include<iostream> using namespace std; int main() { //动态申请一个int类型的空间,未初始化 int* p1 = new int; //动态申请一个int类型的空间并初始化为10 int* p2 = new int(10); //动态申请10个int类型的空间,未初始化 int* ptr1 = new int[10]; //动态申请10个int类型的空间,并初始化前5个,后面默认为0 int* ptr2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5}; delete p1; delete p2; delete[] ptr1; delete[] ptr2; return 0; }
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。
2.new、delete操作自定义类型
#include<iostream> using namespace std; struct ListNode { int val; ListNode* next; ListNode(int x) :val(x) ,next(next) {} ~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; } }; int main() { //new对于自定义类型:调用构造函数 ListNode* n1 = new ListNode(1); ListNode* n2 = new ListNode(2); ListNode* n3 = new ListNode(3); ListNode* n4 = new ListNode(4); n1->next = n2; n2->next = n3; n3->next = n4; n4->next = nullptr; //delete对于自定义类型:调用析构函数 delete n1; delete n2; delete n3; delete n4; return 0; }
#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a1 = 0, int a2 = 0) :_a1(a1) , _a2(a2) { cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl; } A(const A& a) :_a1(a._a1) , _a2(a._a2) { cout << "A(const A& a)" << endl; } ~A() { cout << "~A()" << endl; } private: int _a1 = 1; int _a2; }; int main() { A* p1 = new A; A* p2 = new A(1, 2); //构造+拷贝构造:初始化3个自定义空间 A aa1(1, 1); A aa2(2, 2); A aa3(3, 3); A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 }; //构造+拷贝构造——>优化为:直接调用构造函数 A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) }; //匿名对象 //A aa1 = { 1,1 }; 隐式类型转换:构造+拷贝构造——>优化为:直接调用构造函数 A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} }; //delete return 0; }
总结: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
,但内置类型是几乎是一样的。
3.32位、64位机器的区别
#include<iostream> using namespace std; int main() { //malloc申请空间失败,返回NULL指针 //new申请空间失败会抛出异常,需要捕捉异常 //throw try/catch 如下: try { int n = 1; while (1) { // 1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024*1024*1024 Byte void* p1 = new char[1024 * 1024]; // 1 MB = 1024*1024 Byte cout << p1 << "->" << n << endl; ++n; } } catch(const exception& e) { cout << e.what() << endl; } return 0; }
三.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 bytes void* 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_FINALLY return; } /* 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。
四.new和delete的实现原理
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。
int main() { int* p = new int(10); //free(p); delete(p); int* p1 = new int[10];// -> malloc+申请失败抛异常 //free(p1); delete(p1);//本质调用的就是free(p),对于内置类型,不会内存泄漏 //对于内置类型:delete与free互用都可行 }
2.自定义类型
1.new的原理
- 调用operator new函数申请空间,
失败了抛异常
。 - 在申请的空间上执行构造函数,完成对象的初始化。
2.delete的原理
在空间上执行析构函数,完成对象中资源的清理工作。
调用operator delete函数释放对象的空间。
#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a, int* ptr) : _a(a) , _ptr(ptr) {} ~A() { delete _ptr;//释放_ptr指向的数据,防止内存泄漏 cout << "~A():" << this << endl; } private: int _a; int* _ptr; }; int main() { A* p1 = new A(1, new int(2)); //free(p1); 不会调用析构函数,导致内存泄漏 delete p1; //调用析构函数,防止内存泄漏 return 0; }
3.new T[N]的原理
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。
在申请的空间上执行N次构造函数。
4.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。
调用operator delete[]释放空间,实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。
#include<iostream> using namespace std; class A { public: A(int a = 1) :_a(a) {} private: int _a = 2; }; class B { public: B(int b = 2) :_b(b) {} ~B() {} private: int _b = 2; }; int main() { A* p1 = new A[10]; B* p2 = new B[10]; delete p1; //未写析构函数,编译器做了优化 //delete p2; //写了析构函数,编译器未做优化,程序崩溃 delete[] p2; //正确的写法 return 0; }
总结:new与delete一定要匹配使用,不要错配,否则有程序崩溃的风险。
五.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(用operator new分盘空间)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。
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 = new A(1);//先开空间,再调用构造函数初始化p1 delete p1;//先调用析构函数,再释放p1 A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));//只开空间,未调用构造函数(相当于malloc) new(p2)A(1);//调用构造函数初始化p2 p2->~A();//调用析构函数 operator delete(p2);//释放p2 return 0; }
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。
六.malloc/free和new/delete的区别(面试点)
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。