06.C/C++内存管理
在这里C++的内存管理相较于C作出了许多升级，下面我们就来了解一下。
1.C/C++内存分布
我们先来看一下下面的问题，温习一下C的内存分布
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？____
通过这个图不难看出答案：CCCAA AAADAB
在 C/C++中，内存主要分为以下几个部分：
一、栈（Stack）
1. 存储内容：
- 局部变量：函数内部声明的非静态变量。
- 函数参数：传递给函数的参数。
- 函数调用信息：如返回地址等。
2. 特点：
- 先进后出（LIFO）的数据结构。
- 内存由编译器自动管理，当函数被调用时分配空间，函数返回时自动释放。
- 空间相对较小，通常几兆字节。
二、堆（Heap）
1. 存储内容：
- 动态分配的内存：通过 malloc （C）、 new （C++）等函数分配的内存。
- 对象和数据结构：可以在运行时根据需要分配较大的内存空间。
2. 特点：
- 内存的分配和释放由程序员手动控制。
- 空间相对较大，可以根据需要动态增长。
- 管理不当容易导致内存泄漏和内存碎片问题。
三、数据段（Data Segment）
1. 存储内容：
- 已初始化的全局变量和静态变量。
- 常量数据：如字符串常量等。
2. 特点：
- 在程序加载时分配内存，并在整个程序运行期间存在。
- 数据是可读可写的（对于已初始化的全局变量和静态变量）或只读的（对于常量数据）。
四、代码段（Code Segment）
1. 存储内容：
- 程序的机器代码：即函数和程序的指令。
2. 特点：
- 通常是只读的，以防止程序被意外修改。
- 在程序加载时被加载到内存中，并在整个程序运行期间存在。
五、内存映射段（Memory Mapping Segment）
1. 存储内容：
- 共享库：动态链接的库文件被映射到这个区域。
- 文件映射：可以将文件映射到内存中进行访问。
2. 特点：
- 可以提高程序对大文件的访问效率。
- 多个进程可以共享同一个内存映射区域，实现进程间通信。
2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
malloc
malloc是c语言提供的一个动态内存开辟的函数：
void * malloc ( size_t size);
calloc
void * calloc ( size_t num, size_t size);
realloc
void * realloc ( void * ptr, size_t size);
void free ( void * ptr);
以上的几个函数都声明在stdlib.h的头文件中
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 。
3.1 new/delete操作内置类型
使用new开辟空间
void Test()
{
// 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
int* ptr3 = new int[3];
delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;
}
使用new开辟空间是不需要强制类型转换的
C语言使用free函数来释放空间，但在C++中使用delete操作符
int* p1 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};
int* p2 = new int[10] {};
delete[] p1;
delete[] p2;
使用 new 初始化数组时如果使用大括号，对于基本数据类型会进行值初始化，具体表现为：
- 对于内置数值类型，如 int 、 double 等，初始化为 0。
- 对于指针类型，初始化为 nullptr 。
对于自定义类类型，会调用该类的默认构造函数进行初始化，如果没有默认构造函数则会报错。
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()
{
// 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 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
A* p3 = new A;
A* p4 = new A[10];
free(p1);
delete p2;
free(p3);
delete[] p4;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p6 = new int;
free(p5);
delete p6;
return 0;
}
对于自定义类型new开辟的空间不仅会调用构造函数还会调用析构函数，但内置类型是一样的
不仅如此，new[]出来的，如果不使用delete[],而去使用delete的话也会崩。
所以建议匹配使用，不要混着用，会有风险。
4. operator new与operator delete函数
4.1 operator new与operator delete函数
/*
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)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u *2u);
if (p1 == nullptr) {
printf("%d\n", errno);
perror("malloc fail");
exit(-1);
} else {
printf("%p\n", p1);
}
return 0;
}
而C++申请空间失败处理错误的方式：一般是抛异常——try catch(后面会详细讲)
#include <iostream>
using namespace std;
int main(void)
{
char* p2 = nullptr;
try {
char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2u - 1];
}
catch (const exception& e) {
cout << e.what() << endl;
}
printf("%p\n", p2);
return 0;
}
5. new和delete的实现原理
5.1 内置类型
5.2 自定义类型
6. 定位new表达式(placement-new) （了解）
“定位 new”在 C++中是一种较为复杂的操作。
一、定义
“定位 new”允许在已经分配的内存上构造对象，而不是像普通的“new”操作符那样在堆上动态分配新的内存空间并构造对象。它使用 new (place_address) type 的语法格式，其中 place_address 是一个指向已分配内存的指针。
二、使用场景
1. 内存池管理
- 在一些需要高效内存管理的场景中，如游戏开发、高性能服务器等，可以预先分配一块较大的内存作为内存池。当需要创建对象时，使用定位 new 在内存池中构造对象，避免频繁地进行动态内存分配和释放，从而提高性能。
- 例如，一个游戏引擎可能会为游戏中的角色预先分配一块内存，当新的角色被创建时，使用定位 new 在这块内存上构造角色对象。
2. 对象复用
- 有时候需要重复使用一些对象，而不是不断地创建和销毁它们。可以将这些对象放在一个对象池中，当需要使用时，使用定位 new 在已回收的对象内存上重新构造对象。
- 比如，在数据库连接池中，当一个连接被释放回池中后，可以使用定位 new 在该连接对象的内存上重新构造连接状态，以备下次使用。
3. 特定内存布局需求
- 在某些情况下，可能需要将对象放置在特定的内存地址上，以满足硬件或其他特殊要求。定位 new 可以满足这种需求。
- 例如，在与硬件设备交互的底层编程中，可能需要将某些数据结构放置在特定的内存地址，以便硬件能够直接访问。
总结一下：
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));
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;
}
定位new不进行新的内存分配，而是在已经分配好的内存地址上构造对象。