C/C++的内存管理

这篇文章介绍了C/C++的内存管理，分享给大家做个参考，收藏Python资料网收获更多编程知识

目录

一、内存的分布

1.1内存分布

1.2例题

二、C语言的动态内存管理

2.1malloc

2.2calloc

2.3realloc

2.4 free

三、C++的动态内存管理

3.1内置类型

3.2自定义类型

3.3operator new&&operator delete

3.4 new 与 delete 的原理

3.5定位new表达式(placement-new)

四、malloc/free和new/delete的区别

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一、内存的分布

1.1内存分布

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。

1.2例题

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？__C__     全局变量

staticGlobalVar在哪里？__C__   全局静态变量

  staticVar在哪里？__C__      局部静态变量

localVar在哪里？__A__    局部变量

  num1 在哪里？__A__  局部数组

    char2在哪里？__A__   局部数组   

  *char2在哪里？_A__    此时的char代表的是数组首元素地址，*char代表元素a在栈上

  pChar3在哪里？__A__     指针局部变量

   *pChar3在哪里？__D__ 指向常量字符串 首元素地址解引用

   ptr1在哪里？__A__         局部指针变量

  *ptr1在哪里？__B__   开辟的空间放在堆上

二、C语言的动态内存管理

2.1malloc

C语言提供的一个动态开辟内存的函数：

1 void* malloc (size_t size);

这个函数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。

• 如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。

• 如果开辟失败，则返回⼀个 NULL 指针，因此malloc的返回值⼀定要做检查。

int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
if (ret == NULL)
{
	perror("malloc fail");;
    return 1;
}

• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候需要使用者自己来决定。

int* ret = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);

• 如果参数 size 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

2.2calloc

C语言还提供了⼀个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟⼀块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。

• 与函数 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全 0。

Tips：

calloc 因为要初始化为0所以相比 malloc 慢一点

同样也需要检验空指针的问题

2.3realloc

有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们⼀定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

• ptr 是要调整的内存地址

• size 调整之后新的大小

• 返回值为调整之后的内存起始位置

• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间

Tips：

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间

◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1：

当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2：

当是情况2的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用，然后将原来空间的数据拷贝到新空间，释放旧空间。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

所以 realloc 应该规范使用：

因为调整失败会返回空指针，如果原指针直接接收返回值，可能把原空间地址丢失，所以应该用另一个指针接收返回值，并且判空，不为空则将指针地址赋值给原指针。

2.4 free

C语言提供了另外⼀个函数free专门是用来做动态内存的释放和回收的。

函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数是用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。

• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

演示代码：

int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0；
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存 
	ptr = NULL;//是否有必要？ 
	return 0;
}

我们是否有必要置空 ptr 呢？

为了避免野指针的问题， free完成后一定记得置空原指针。

三、C++的动态内存管理

3.1内置类型

int main()
{
	// 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3

	int* ptr5 = new int(3);

	// 动态申请3个int类型的空间

	int* ptr6 = new int[3];

	// 动态申请10个int类型的空间并初始化

	int* ptr7 = new int[10] {0};//全部初始化为0
	int* ptr8 = new int[10] {1, 2, 3};//部分初始化

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
	delete[] ptr8;
}

Tip:

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[]，匹配起来使用。

3.2自定义类型

在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与

free不会。

<1>操作类

单参数演示代码：

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));
    // 隐式类型转换
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的

	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C

	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

可以看到 p6【10】调用了10次构造函数和析构函数

多个参数演示代码：

class A
{
public:
 A(int a1=0 ,int a2 = 0)
 : _a1(a1)
 , _a2(a2)
 {
 cout << "A(int a1 = 0,int a2 = 0):"  << endl;
 }
 A(const A& aa)
	 :_a1(aa._a1)
	 ,_a2(aa._a2)
 {
	 cout << "A(const A& aa)" << endl;
 }
 A& operator=(const A& aa)
 {
	 _a1 = aa._a1;
	 _a2 = aa._a2;
	 cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
 }
 ~A()
 {
 cout << "~A():"  << endl;
 }

private:
 int _a1;
 int _a2;
};

int main()
{
	A* p1 = new A;
	//多个参数类型转换
	A* p2 = new A(1,2);
	A* p3 = new A[3];//创建数组调用3次
	A* p4 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };

	//类中没有默认构造函数该怎么实现数组类的初始化呢？
	
	//法1  拷贝构造
	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	A* p5 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };

	//法2 匿名对象，构造+拷贝构造->优化直接构造
	A* p6 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) };

	//法3 隐式类型转换
	A* p7 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3}};

	delete p1;
	delete p2;
	delete []p3;
	delete []p4;
	delete []p5;
	delete []p6;
	delete []p7;
	return 0;
}

<2>构建链表

struct ListNode
{
	int val;
	ListNode* next;
 
	ListNode(int x)
		:val(x)
		,next(nullptr)
	{}
};
 
int main()
{
	// 可以高效率的构建一个链表
	// 不光创建了节点，还直接调用构造函数初始化
	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);
	ListNode* n4 = new ListNode(4);
	n1->next = n2;
	n2->next = n3;
	n3->next = n4;
	return 0;
}

可以知道new能够调用构造函数初始化，使用更加便捷方便了。

3.3operator new&&operator delete

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。

（1）operator new

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 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，如果用户提供该措施 就继续申请，，否则抛异常。

（2）operator delete

/*
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)

operator delete 最终是通过free来释放空间的。

3.4 new 与 delete 的原理

（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。

（2）自定义类型

new的原理

1. 调用 operator new 函数申请空间，失败就抛异常

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

思考：如果没有匹配使用会发生什么情况呢？

内置类型并没有资源申请，所以考虑自定义类型

演示代码：

class A
{
public:
	A(int a = 0,int b = 1)
		:_a(a)
		,_b(b)
	{
		cout << "A(int a = 0,int b = 1):" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << endl;
	}
	A& operator=(const A& aa)
	{
		_a = aa._a;
        _b = aa._b;
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
	}
private:
	int _a = 2;
	int _b = 1;
};
 
class B
{
private:
	int _a = 1;
	int _b = 2;
};
 
int main()
{
	B* p1 = new B[10];
 
    //内存泄露
	//A* p2 = new A[10];
	//delete p2;
    delete p1;
	return 0;
}

为什么newA【10】会报错而new B【10】不会呢？

可以看到A B区别就是A显示实现了构造 析构函数，而B是默认的

A,B对象都是8字节，应该是开80的内存，事实是这样吗？

可以看到 A 多开了4个字节存储数据个数，但返回的指针p2指向的并不是内存的首地址，这就是报错的原因，导致了内存泄漏问题。

p1不报错是因为释放了完整的内存并不存在内存泄漏，严格讲B也应该需要多开4字节存储数据个数但是编译器对B进行了优化，它的析构是编译器实现的并没有实际作用（没有资源申请），所以也不用多存4个字节，如若B显示析构，那么也会报错。

想要A不报错 只需要释放完整的内存空间，从（p2-1）位置 delete 释放内存即可。

3.5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：

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

情景假设：

需要高频申释放内存块，系统会建立一个专供——可重复使用的内存即内存池（堆上开辟）

因为内存池分配的内存没有初始化，所以需要定位new来显示调构造函数初始化

演示代码：

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);
	//内存池专供
	A * p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

四、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 空间中资源的清理释放

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