【C++初階】C/C++內存管理

【C++初階】C/C++內存管理

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🔥所屬專欄：C++🥭

🌼文章目錄🌼

1. C/C++內存分布

2. C語言中動態內存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

3. C++內存管理方式

? ? 3.1 new/delete操作內置類型

? ? 3.2 new和delete操作自定義類型

4. operator new和operator delete函數

? ? 4.1 operator和operator delete

5. new和delete的實現原理

? ? 5.1 內置類型

? ? 5.2 自定義類型

6. malloc/free和new/delete的區別

1. C/C++內存分布

? 我們來看下面的一段代碼和相關問題。

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. 選擇題

選項: A.棧 B.堆 C.數據段(靜態區) D.代碼段(常量區)
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？____

2. 填空題

??sizeof(num1) = ____;??

??sizeof(char2) = ____;???strlen(char2) = ____;

??sizeof(pChar3) = ____;???strlen(pChar3) = ____;

??sizeof(ptr1) = ____;

選擇題答案：C、C、C、A、A? ? ? ? ?A、A、A、D、A、B

第一題：globalVar是全局變量，存放于數據段(靜態區)

第二題：staticGlobalVar是靜態變量，存放于數據段(靜態區)

第三題：staticVar是靜態變量，存放于數據段(靜態區)

第四題：localVar是局部變量，存放于棧區

第五題：num1是數組首元素地址，局部變量，存放于棧區

第六題：char2是數組首元素地址，局部變量，存放于棧區

第七題：因為char2是一個數組，*char2就是常量字符串的第一個字符，字符串存于代碼段(常量區)，*char2是將存于常量區的常量字符串的第一個字符拷貝存儲到數組中，因此*char2拿到的是存于數組中，也就是存于棧區的數據

第八題：pChar3是指針，指向常量字符串首元素地址，地址存放于棧區

第九題：*pChar3拿到的是存于代碼段(常量區)的字符串的首元素，存于代碼段(常量區)

第十題：ptr1是指針，指向動態開辟的空間首地址，地址存放于棧區

第十一題：*ptr1拿到的是動態開辟的空間中存儲的元素，動態開辟的空間存放于堆區

填空題答案：40、5、4、4、4、4

第一題：sizeof(num1)中的num1代表整個數組，整個數組大小就是10*4=40字節

第二題：sizeof(char2)計算的是指針類型的大小，32位機器下指針大小為4個字節，64位機器下指針大小為8個字節

第三題：strlen(char2)計算的是字符串長度，遇到'\0'停止

第四題：sizeof(pChar3)計算的也是指針類型的大小

第五題：strlen(pChar3)計算的是字符串長度，遇到'\0'停止

第六題：sizeof(ptr1)計算的也是指針類型的大小

? 說明：

① 棧又叫堆棧--非靜態局部變量/函數參數/返回值等等，棧是向下增長的。

②?堆用于程序運行時動態內存分配，堆是可以上增長的。

④?數據段--存儲全局數據和靜態數據。

⑤?代碼段--可執行的代碼/只讀常量。

2. C語言中動態內存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

? C語言動態開辟內存的方式：

?? ?int* arr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);

? ? int* arr2 = (int*)calloc(10,sizeof(int));
?? ?int* arr3?= (int*)realloc(arr1, sizeof(int) * 40);

? 這里我們用realloc對arr1進行增容時，如果是在另外的地方開辟40個字節的空間，realloc會幫我們完成釋放arr1原來的空間——將arr1指向arr3所在空間的操作。因此無需我們手動free(arr1)。

3. C++內存管理方式

??C語言內存管理方式在C++中可以繼續使用，但有些地方就無能為力，而且使用起來比較麻煩，因此C++又提出了自己的內存管理方式：通過new和delete操作符進行動態內存管理。

? ? 3.1 new/delete操作內置類型

?? ?//動態申請一個int大小的空間
?? ?int* a1 = new int;

?? ?//動態申請一個int的空間，并將值初始化為10
?? ?int* a2 = new int(10);

?? ?//動態申請int類型的數組，長度為10
?? ?int* a3 = new int[10];
?? ?a3[0] = 1;
?? ?cout << *a1 << endl;
?? ?cout << *a3 << endl;
?? ?cout << a3[0] << endl;

? ? //釋放a3動態開辟的空間

? ??delete a1;

? ? delete a2;

? ??delete[] a3;

? ? //注：動態開辟的空間delete后必須加上[]，否則會報錯

? ? 3.2 new和delete操作自定義類型

? 從上圖可以看出，使用C語言的malloc對類類型開辟空間和使用free釋放空間時，并不會調用類中的析構造函數和析構函數；而用C++的new對類類型開辟空間和使用delete釋放空間時，會調用類中的構造函數和析構函數。

? 而對于int這些內置類型，不管是malloc和free還是new和delete，都是一樣的效果。

??注：對于類類型的數組開辟，釋放空間時同樣需要在delete后加上[]，否則會報錯

4. operator new和operator delete函數

? ? 4.1 operator和operator delete

??new和delete是用戶進行動態內存申請和釋放的操作符，operator new 和operator delete是
系統提供的全局函數，new在底層調用operator new全局函數來申請空間，delete在底層通過
operator delete全局函數來釋放空間。

? 下面是系統 operator new和operator delete函數底層代碼：

/*

operator new：該函數實際通過malloc來申請空間，當malloc申請空間成功時直接返回；申請空間
失敗，嘗試執行空間不足應對措施，如果改應對措施用戶設置了，則繼續申請，否
則拋異常。
*/
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
????????????????// 如果申請內存失敗了，這里會拋出bad_alloc 類型異常
????????????????static const std::bad_alloc nomem;
????????????????_RAISE(nomem);

????????}
}

????????return (p);
}
?

/*
operator delete: 該函數最終是通過free來釋放空間的
*/
void operator delete(void *pUserData)
{
????????_CrtMemBlockHeader * pHead;
? ? ? ? RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
????????if (pUserData == NULL)
????????return;

_mlock(_HEAP_LOCK);
__TRY /* block other threads */
/* 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);
__END_TRY_FINALLY /* release other threads */

????????return;
}

/*
free的實現
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

? 不需要明白代碼邏輯，只需要知道在調用new和delete時，實際上調用的是operator new和operator delete函數，同時operator new實際也是通過malloc來申請空間的，不同的是，C語言malloc失敗是直接返回NULL，而new失敗是拋異常，同時對于類類型對象還會調用其構造函數；operator delete最終也是通過free來釋放空間的是，不同的是對于類類型，還會調用析構函數。