【C++初阶】动态内存管理

叁歲伎倆 2024-04-22 12:10 3阅读 0赞

## ![1adebb302e1b4d509e411ec3effe546b.gif][] ##

## 一.C++内存分布 ##

![a74cf40a9bef4804bfda0a110ff11a11.png][]

> 说明：
> 
> 1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的；  
> 2. 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；  
> 3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的；  
> 4. 数据段--存储全局数据和静态数据；  
> 5. 代码段--可执行的代码/只读常量 ；
> 
> 了解了内存的分布后，下面让我们来看一些练习题吧。

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);
    }

> 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？\_\_\_\_

> 正确答案从左往右，从上至下依次是：
> 
> CCCAA
> 
> AAADAB
> 
> 记住，**指针都是内置类型，都存储在栈区**。

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## 二.new 和 delete ##

> C语言中，是用malloc 申请空间的，又要手动计算需要空间的大小，强转类型，还要检查是否申请内存成功，并且还没有初始化，就挺麻烦的。C++中就不要这么麻烦。

> C++中**申请空间是使用操作符：new**
> 
> **释放空间使用操作符：delete**
> 
> **new申请空间失败时会抛异常，并不是返回NULL。**
> 
> 如果对象是自定义类型：
> 
> 1.那么在new的时候，**会先开空间，然后去调用它的构造函数**；
> 
> 2.在delete的时候会去**调用它的构造函数，然后再释放空间**；
> 
> ![27488af8509d451888d1275ccd711ded.png][]

> 下面是各个场景下的使用方法：
> 
>     int main()
>     {
>     	
>     	int* p1 = new int;  //开一个int大小的空间
>     	int* p2 = new int(1);   //开一个int大小的空间，并初始化成1，注意初始化的内容要用圆括号()
>     	int* p3 = new int[3];    //开一个3个int大小的空间，或者说开一个数组，要使用中括号[]
>     	int* p4 = new int[3] {1, 2, 3};   //开一个3个int大小的空间，或者说开一个数组,并初始化，注意                
>                                             初始化的内容要用大括号{}
>     	                                 //如果初始化的内容小于数组元素的个数，后面会自动初始化为0， 
>                                             和C语言中是一样的
>     
>     	delete p1;    //释放空间
>     	delete p2;
>     	delete[] p3;  //释放动态申请的数组的空间，注意delete后面要加中括号[]
>     	delete[] p4;
>     
>     	return 0;
>     }

**new和delete都是C++中的操作符**，使用方法也很简单，方便，下面让我们来看看它们底层是怎么实现的吧。

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## 三.new和delete的底层实现 ##

### operator new与operator delete函数 ###

> 我们知道：
> 
> **new ：开空间 + 构造函数**
> 
> **delete：析构函数 + 释放空间**
> 
> 那么它们是怎么开空间，释放空间的呢？

> new 其实会去调用 operator new 函数，这个可不是重载，是库里的一个全局函数，
> 
> 而operator new 内部又是用malloc 开空间的，下面是operator new 在库里的源码：
> 
>     /*
>     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);
>     }
> 
> malloc 申请失败会返回NULL，**C++中new失败的话，则是抛出异常，可以用try\{\}catch()\{\}捕获异常。**

> 不过上面的库里面的代码我们可能也可能看不懂，让我们来看看汇编吧。
> 
> ![cf3638bded2f48f5bd1c7b44cdcbb492.png][]
> 
> **这个call 就是去调用函数的意思，很明显，new 调用了 operator new 函数。**

> **delete 也和 new 一样，它会去调用 operator delete ，然后operator delete 会去调用free来释放空间**，下面是汇编和 operator delete 在库里的源码：
> 
> ![3db947564adf4c7684d29375e30d0273.png][]
> 
>     /*
>     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;
>     }

### 总结 ###

![2296bc0dc60a42c8b62efbda92b8eb84.png][]

--------------------

## 四.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

下面以这段代码进行举例

int main()
    {
        //这是我们曾经写过的一个栈
    	//需要申请一个堆上的栈对象
    	Stack* ps = new Stack;
    
    	delete ps;
    
    	return 0;
    }

图解：

![1e274279b0a84d38b17beb87be78edf9.png][]

![212a2b8b970841b19d4e8180068e83dc.png][]

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## 五.常见面试题 ##

> ### malloc/free和new/delete的区别 ###
> 
>   
> 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：  
> 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；

> 记住，这些不要死记硬背，最重要的是理解，当然也有需要记忆的成分。

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> **🐬🤖本篇文章到此就结束了， 若有错误或是建议的话，欢迎小伙伴们指出；🕊️👻**
> 
> **😄😆希望小伙伴们能支持支持博主啊，你们的支持对我很重要哦；🥰🤩**
> 
> **😍😁谢谢你的阅读。😸😼**

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