前言
在我们日常写代码的过程中,我们对内存空间的需求有时候在程序运行的时候才能知道,这时候我们就需要使用动态开辟内存的方法。
1、c/c++程序的内存开辟
首先我们先了解一下c/c++程序内存分配的几个区域:
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. 栈区(stack):在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
- 2. 堆区(heap):一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由os回收 。分配方式类似于链表。
- 3. 数据段(静态区)(static)存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
- 4. 代码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。
这幅图中,我们可以发现普通的局部变量是在栈上分配空间的,在栈区中创建的变量出了作用域去就会自动销毁。但是被static修饰的变量是存放在数据段(静态区),在数据段上创建的变量直到程序结束才销毁,所以数据段上的数据生命周期变长了。
2.c语言中动态内存管理方式:malloc/calloc/realloc/free
在c语言中,我们经常会用到malloc,calloc和realloc来进行动态的开辟内存;同时,c语言还提供了一个函数free,专门用来做动态内存的释放和回收。其中他们三个的区别也是我们需要特别所强调区别的。
2.1malloc、calloc、realloc区别?
malloc函数是向内存申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针。
calloc与malloc的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0。
realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整。
我们通过这三个函数的定义也可以进行功能的区分:
void test () { int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int)); free(p1); int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int)); int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10); free(p3 ); }
3.c++内存管理方式
我们都知道,c++语言是兼容c语言的,因此c语言中内存管理方式在c++中可以继续使用。但是有些地方就无能为力了,并且使用起来也可能比较麻烦。因此,c++拥有自己的内管管理方式:通过new和delete操作符进行动态内存管理。
3.1 new/delete操作内置类型
int main() { // 动态申请一个int类型的空间 int* ptr1 = new int; // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10 int* ptr2 = new int(10); // 动态申请3个int类型的空间(数组) int* ptr3 = new int[3]; // 动态申请3个int类型的空间,初始化第一个空间值为1 int* ptr4 = new int[3]{ 1 }; delete ptr1; delete ptr2; delete[] ptr3; delete[] ptr4; return 0; }
我们首先通过画图分析进行剖析代码:
我们在监视窗口看看这3个变量
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[],要匹配起来使用。
3.2 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() { a* p1 = (a*)malloc(sizeof(a)); a* p2 = new a(1); free(p1); delete p2; return 0; }
在这段代码中,p1是我们使用malloc开辟的,p2是通过new来开辟的。我们编译运行这段代码。
发现输出了这两句,那这两句是谁调用的呢?我们通过调试逐语句来分析这个过程
内置类型区别
注意:在申请自定义类型的空间时,new会自动调用构造函数,delete时会调用析构函数,而malloc和free不会。
3.3new和malloc处理失败
int main() { void* p0 = malloc(1024 * 1024 * 1024); cout << p0 << endl; //malloc失败,返回空指针 void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024); cout << p1 << endl; try { //new失败,抛异常 void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024]; cout << p2 << endl; } catch (const exception& e) { cout << e.what() << endl; } return 0; }
我们能够发现,malloc失败时会返回空指针,而new失败时,会抛出异常。
4.operator new与operator delete函数
4.1 operator new与operator delete函数
c++标准库还提供了operator new和operator delete函数,但是这两个函数并不是对new和delete的重载,operator new和operator delete是两个库函数。(这里c++大佬设计时这样取名确实很容易混淆)
4.1.1 我们看看operator new库里面的源码
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); }
库里面operator new的作用是封装了malloc,如果malloc失败,抛出异常。
4.1.2 operator delete库里面的源码
该函数最终是通过free来释放空间的
//operator delete 源码 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)
4.1.3 operator new和operator delete的价值(重点)
class a { public: a(int a = 0) : _a(a) { cout << "a():" << this << endl; } ~a() { cout << "~a():" << this << endl; } private: int _a; }; int main() { //跟malloc功能一样,失败以后抛出异常 a* ps1 = (a*)operator new(sizeof(a)); operator delete(ps1); a* ps2 = (a*)malloc(sizeof(a)); free(ps2); a* ps3 = new a; delete ps3; return 0; }
我们使用new的时候,new要开空间,要调用构造函数。new可以转换成call malloc,call 构造函数。但是call malloc 一旦失败,会返回空指针或者错误码。在面向对象的语言中更喜欢使用异常。而operator new相比较malloc的不同就在于如果一旦失败会抛出异常,因此new的底层实现是调用operator new,operator new会调用malloc(如果失败抛出异常),再调用构造函数。
我们通过汇编看一下ps3
operator delete同理。
总结: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。
4.2 重载operator new 与 operator delete(了解)
专属的operator new技术,提高效率。应用:内存池
class a { public: a(int a = 0) : _a(a) { cout << "a():" << this << endl; } // 专属的operator new void* operator new(size_t n) { void* p = nullptr; p = allocator<a>().allocate(1); cout << "memory pool allocate" << endl; return p; } void operator delete(void* p) { allocator<a>().deallocate((a*)p, 1); cout << "memory pool deallocate" << endl; } ~a() { cout << "~a():" << this << endl; } private: int _a; }; int main() { int n = 0; cin >> n; for (int i = 0; i < n; ++i) { a* ps1 = new a; //operator new + a的构造函数 } return 0; }
注意:一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载,除非在申请和释放空间时候有某些特殊的需求。比如:在使用new和delete申请和释放空间时,打印一些日志信息,可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。
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
5.2.1 new原理
- 1、调用operator new函数申请空间
- 2、再调用构造函数,完成对对象的构造。
5.2.2 delete原理
- 1、先调用析构函数,完成对对象中资源的清理工作。
- 2、调用operator delete函数释放对象的空间
5.2.3 new t[n]原理
- 1、先调用operator new[]函数,在operator new[]中世纪调用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
5.2.4 delete[]原理
- 1、在释放的对象空间上执行n次析构函数,完成对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的异同
6.1malloc/free和new/delete的共同点
都是从堆上申请空间,都需要用户手动释放空间。
6.2malloc/free和new/delete的不同点
- 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
- 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
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