C++内存分配方式

1、静态内存分配

• 特点：在编译时就确定了内存的分配和释放，内存空间是在程序运行前就被预留好的，程序结束时由系统自动释放。
• 示例：全局变量、静态局部变量都属于静态内存分配。

#include <iostream>

// 全局变量，位于静态存储区
int globalVar = 10;

void func() {
    // 静态局部变量，位于静态存储区
    static int staticVar = 20;
    staticVar++;
    std::cout << "Static variable value: " << staticVar << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "Global variable value: " << globalVar << std::endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        func();
    }
    return 0;
}

2、栈内存分配

• 特点：由编译器自动分配和释放，用于存储函数的参数、局部变量等。其分配和释放速度快，遵循后进先出（LIFO）的原则。但栈的空间大小有限，通常在几KB到几MB之间，如果分配的空间超过栈的大小，就会导致栈溢出。
• 示例：

#include <iostream>

void func() {
    // 局部变量，在栈上分配内存
    int localVar = 30;
    std::cout << "Local variable value: " << localVar << std::endl;
}

int main() {
    func();
    return 0;
}

3、堆内存分配

• 特点：由程序员手动分配和释放，使用 new 操作符进行内存分配，使用 delete 操作符释放内存。堆内存的大小只受限于系统的虚拟内存大小，相对来说空间比较灵活，但分配和释放的速度比栈内存慢，且如果程序员忘记释放内存，会导致内存泄漏。
• 示例：

#include <iostream>

int main() {
    // 在堆上分配一个整数的内存空间
    int* heapVar = new int;
    *heapVar = 40;
    std::cout << "Heap variable value: " << *heapVar << std::endl;
    // 释放堆内存
    delete heapVar;
    return 0;
}

4、内存池分配

• 特点：是一种预先分配一定大小内存块的技术，程序在运行过程中需要内存时，直接从内存池中获取，而不是每次都进行系统级的内存分配操作。当使用完内存后，将其归还到内存池中，而不是立即释放回系统。这样可以减少频繁的内存分配和释放操作带来的开销，提高程序的性能和效率，尤其对于大量小对象的频繁分配和释放场景效果显著。
• 示例：以下是一个简单的内存池示例代码，实现了一个基本的内存池类，用于分配和释放固定大小的内存块。

#include <iostream>
#include <vector>

class MemoryPool {
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t numBlocks) : blockSize(blockSize) {
        // 分配内存池的总大小
        char* pool = new char[blockSize * numBlocks];
        // 将每个内存块的地址加入到可用列表中
        for (size_t i = 0; i < numBlocks; i++) {
            freeBlocks.push_back(pool + i * blockSize);
        }
    }

    ~MemoryPool() {
        // 释放内存池的内存
        delete[] freeBlocks[0];
    }

    void* allocate() {
        if (freeBlocks.empty()) {
            std::cerr << "Memory pool exhausted." << std::endl;
            return nullptr;
        }
        // 从可用列表中取出一个内存块
        void* block = freeBlocks.back();
        freeBlocks.pop_back();
        return block;
    }

    void deallocate(void* block) {
        // 将内存块归还到可用列表中
        freeBlocks.push_back(static_cast<char*>(block));
    }

private:
    // 可用内存块的列表
    std::vector<char*> freeBlocks;
    size_t blockSize;
};

int main() {
    // 创建一个内存池，每个内存块大小为16字节，共10个内存块
    MemoryPool pool(16, 10);

    // 从内存池中分配内存
    void* block1 = pool.allocate();
    void* block2 = pool.allocate();

    // 使用内存块...

    // 释放内存块回内存池
    pool.deallocate(block1);
    pool.deallocate(block2);

    return 0;
}

5、placement new

是C++ 中的一种特殊的内存分配方式，它允许在已分配的内存空间上构造对象。以下是关于placement new的详细介绍：

语法

placement new的语法形式为：new (place_address) type (initializers);，其中place_address是一个指向已分配内存的指针，type是要构造的对象类型，initializers是可选的构造函数参数列表。

工作原理

• placement new不会分配新的内存，而是在给定的地址上直接构造对象。它假定所提供的内存已经足够大，能够容纳要构造的对象，并且该内存未被其他对象占用。
• 当使用placement new时，编译器会调用对象的构造函数来初始化对象，但不会调用operator new来分配内存。

示例

下面是一个简单的示例，展示了placement new的用法：

#include <iostream>
#include <new>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructor called" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destructor called" << std::endl; }
};

int main() {
    // 分配一块足够大的内存
    void* buffer = operator new(sizeof(MyClass));

    // 使用placement new在分配的内存上构造对象
    MyClass* obj = new (buffer) MyClass();

    // 使用obj

    // 手动调用析构函数
    obj->~MyClass();

    // 释放内存
    operator delete(buffer);

    return 0;
}

placement new

应用场景

• 内存池管理：在内存池实现中，预先分配一大块内存，然后使用placement new在内存池中分配和构造对象，避免频繁地调用new和delete导致的内存碎片和性能开销。
• 对象数组的构造：可以分配一个连续的内存块来存储对象数组，然后使用placement new逐个构造数组中的对象。
• 嵌入对象到特定内存位置：某些情况下，可能需要将对象放置在特定的内存地址，例如与硬件设备交互或遵循特定的内存布局要求，placement new可以满足这种需求。

需要注意的是，使用placement new时，开发者需要负责确保所提供的内存是合适的，并且在对象不再使用时，要手动调用析构函数来释放资源，以避免内存泄漏和未定义行为。