C++内存管理基础篇

Posted 2022-03-30 Suk-god

文章目录

• C/C++内存分布
• C语言中动态内存管理方式
• C++中动态内存管理
• operator new与operator delete函数
• • 函数介绍
  • operator new与operator delete的类专属重载
• 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)

C/C++内存分布

• 根据下面的代码，判断每个变量所在内存的位置

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";
	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);

【说明】：

• 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。
• 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。
• OS在设计的时候将完整的内存空间划分为不同的区域目的就是方便对内存空间进行管理

C语言中动态内存管理方式

• 申请空间
  malloc：void* malloc(sie_t size);
  calloc:void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
  realloc：void *realloc(void *ptr, size_t size);
• 释放空间
  free：void free(void *ptr);

C++中动态内存管理

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

• new/delete操作内置类型

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
 	int* ptr6 = new int[3];
 	delete ptr4;
 	delete ptr5;
 	delete[] ptr6; 

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[]

• new和delete操作自定义类型
  我们针对同一个类，用不同的方式去创建类对象，观察现象
  
  场景一：使用malloc从堆上申请空间
  
  结果：
  
  malloc只会从堆上申请指定大小的空间，并不会调用构造函数对空间进行初始化
  free的时候也只是将内存空间归还给OS，并不会调用析构函数对空间资源进行清理
  场景二：使用new从堆上申请空间
  
  可见new在申请空间后，还会调用构造函数将空间初始化为一个真正的对象
  
  在释放空间时，delete还会调用析构函数将对象中的资源释放掉，然后再释放对象的空间。
  
  一般建议：
  malloc与free搭配使用
  new和delete搭配使用
  new[]和delete[]搭配使用

operator new与operator delete函数

函数介绍

• 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。

下面就operator new函数与operator delete函数做一了解

1. operator new 函数
   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。
   由此我们可以得出：
   operator new函数一旦返回，在程序中拿到的一定是有效的堆空间
   下面我们来进一步理解一下该函数：

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 函数
  该函数最终是通过free来释放空间的`
  
• 谈一下new[] 和delete[]
  
  从汇编的角度总体观察
  对于new[]的分析
  
  下面我们进入到这两个函数调用的内部观察结果：
  
  
  下面我们对delete[]进行分析：
  
  总的来说，就是经历以下步骤
  1、如果p2指向的是自定义类型的对象，先调用N次析构函数，将每个对象的资源清理干净
  2、调用 void* operator delete[](void* p)来释放空间，该函数内部也是通过调用operator delete函数来实现释放功能。

operator new与operator delete的类专属重载

1、operator new[]
new操作符：是一个关键字，用来申请内存空间
操作符new:是一个函数
注意：该函数可以重新实现，一般情况下不需要重载—直接使用库提供的就行
除非有特殊需求–比如：申请空间时顺便打印日志信息（帮助确定内存泄漏具体位置）
下面来个简单的例子：

2、operator delete[]
一般情况下不会重新实现该函数，因为自己实现后，就不会执行析构函数了。

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 Test

public:
	Test()
		: _data(0)
	
		cout << "Test():" << this << endl;
	
	~Test()
	
		cout << "~Test():" << this << endl;
	

private:
	int _data;
;
void TestFun()

	// pt现在指向的只不过是与Test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
	Test* pt = (Test*)malloc(sizeof(Test));

	new(pt)Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参

这篇只是对内存管理基础知识的整理，后续会出一篇更加详细的总结~~