C++动态内存管理详情解说

2022-11-13 13:11:15 详情内存管理解说

写在前面

我们知道C++是支持C语言的,也就是说,C语言里面的malloc等函数都可以在C++中使用,但是C++有支持了另外两个关键字,这是很有用的,我们需要看看C++的动态内存.

C/C++ 内存分布

我记得，在初识C语言那里就和大家分享了程序虚拟地址空间的概念，无论是C语言的nalloc函数，还是我们现在要分享的new，都是在堆区开辟空间，这一点是我们要首先记得的。

C语言内存管理方式

C语言是通过函数来经行动态的内存开辟的，标准库里面提供三个函数，这里我就不加赘述了，大家应该都是知道的。我么看看用法就可以了。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int main()
{
// malloc 开辟空间 不初始化
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)* 4);
assert(p1);

//calloc 开辟空间 初始化 为 0
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
assert(p2);
// 追加 空间
p1 = (int*)relloc(p1, sizeof(int)* 8);

free(p1);
free(p2);
return 0;
}

C++内存管理方式

C++是支持C语言的,也是说C++是可以使用这些函数的,但是除了这些函数外,C++有增加了new和delete这个两个关键字,分别对标的malloc/calloc和free,而且C++的方式比C的好用.

C++为何增加了new 和 delete

我们都知道,C语言的结构体里面不支持函数,所以大佬们提出了类的概念,出现了class,又害怕自己有时后可能忘记初始化和清除掉内存,就出现了构造函数和析构函数,让编译器自动调用,可以说,所有的事物的出现都是为了我们更好的使用语言,new和delete也似乎如此,C语言的动态内存开辟是有一定的麻烦的,而且对于自动类型很不友好,后面我们就会比较他们的优劣.

我们还发现一个很直接问题,每一次开辟空间我们都要强制类型转换,而且还需要判断内存是不是究竟开出来了,这也太麻烦了,new却不会出现这种事,如果没有开辟出,编译器会抛异常,我们就不需要再自己手动检测了.

new 一个对象

这样,我先和大家演示内置类型,自定义类型那里我准备专门和malloc比较一下.

#include <iOStream>
using namespace std;

int main()
{
int* p1 = new int;
*p1 = 10;
cout << *p1 << endl;
return 0;
}

我们也知道,再C++中,内置类行也被作为类了,我们可以再new的时候对它进行初始化.

int main()
{
int* p = new int(0);
cout << *p << endl;

return 0;
}

new 一个数组

new一个数组更是简单,我们直接写出来就可以了.

int main()
{
int* p = new int[10]; // new 一个 10 个int 类行的空间
return 0;
}

我们也可以在new空间的时候进行实例化,不过要显示实例化

int main()
{
int* p = new int[10]{1,2,3};
return 0;
}

delete

大家可能发现,我上面都没有释放空间,这会造成内存泄漏,这里我们用另一个关键字delete,这里就比较简单了.

大家可能疑惑delete[],这里我们记住就可以了,如果你要清除数组的空间,最好使用这种方式,或许对于内置类行,使用delete也可以,但是对于自定义类行可能会报错,这里我也放在后面谈.

int main()
{
int* p1 = new int;
int* p2 = new int[10]{1,2,3};
delete p1;
delete[] p2;
return 0;
}

malloc & new

我们需要对比一下malloc和new它们之间的区别,这样就可以知道C++为何这么喜欢new了.

内置类型

我们先下一个结论,它们两个对于内置类行除了报错之外是没有任何区别的,都不会经行初始化,这里我们现不谈报错的信息,异常和没有和大家分享.

int main()
{
int* p1 = new int[10];

int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
assert(p2);

delete[] p1;
free(p2);
return 0;
}

自定义类型

对于自定义类型,它们的差别可大了去了.

我们先来准备一个类：

class A
{
public:
A(int a = 0,int b=0)
:_a(a)
, _b(b)
{
cout << "构造函数" << endl;
}
~A()
{
cout << "析构函数" << endl;
}
private:
int _a;
int _b;
};

malloc是直接开辟空间,对于里面的构造函数是不会调用的,free的时候也不会调用析构函数

int main()
{
A* aa = (A*)malloc(sizeof(A));
free(aa);
return 0;
}

new 和 delete会分别调用构造函数和析构函数,完成初始化

int main()
{
A* aa = new A;
delete aa;
return 0;
}

operator new与operator delete函数

这里一看像是new和delete的重载,记住,这不是,就是名字有点奇怪罢了.这是C++里面的全局函数,它的使用方法和malloc一样,而且作用也是有一样的,不会调用构造函数和析构函数.

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

int main()
{
A* aa = (A*)operator new(sizeof(A));
operator delete (aa);
return 0;
}

原理

通过源码我们就会发现,实际上operator new与operator delete函数本质上是malloc和free的封装,就是报错的信息有点不同,封装的报错的信息是异常.

operator new 的原理是 malloc

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 原理

void operator delete(void *pUserData) { _CrtMemBlockHeader * pHead; RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0)); if (pUserData == NULL) return; _mlock(_HEAP_LOCK); __TRY pHead = pHdr(pUserData); _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse)); _free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse); // 注意 C语言的free 就是这个函数 __FINALLY _munlock(_HEAP_LOCK); __END_TRY_FINALLY return; }

为何出现这两个函数

这两个函数不是给我们调用的,是为了new的底层调用的,我们new一个对象,就相当于call operator new 和 call 对象的构造函数,这才是它们出现的原因.

大家可以看看反汇编.

delete & delete[]

这个我们可以这么理解,对于内置类型,它们就没必要讨论的,作用差不多.但是对于自定义类型就有很大的问题.

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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

大家先看看结果：

delete[] 析构相应的的次数

int main() { A* aa = new A[3]; delete[] aa; return 0; }

delete 析构一次,还会报错

int main() { A* aa = new A[3]; delete aa; return 0; }

内存池

这里我想提一个概念，我们都知道malloc和new都是在堆上开辟空间，如果我们要是多次的去开辟空间，效率是不是有点慢，想一想，我们一次开辟一次，开了个上千次，每次都要去申请，我们在想，能不能单独的划分出一块区域，专门提供我们想要的对象来开辟空间，这就是内存池最初的想法，大家可能会感到疑惑，内存池和堆有什么不同吗，简单来说，内存池离你近,可以提高效率。我们可以这么类比，堆就像每吨你在学校吃饭就和你老爸要钱，每顿都要，那么内存池就像月初你直接和你爸要好这个月的生活费，一月要一次，肯定是后者的效率比较高的。

那么我们该如何使用内存池，标准库里面也提供了一个，这里我们需要在类内重写operator new与operator delete函数函数，大家先来了解一下用法就可以了，我们先不来细究，后面可能会有一个高并发内存池的项目要和大家分享，不过这个时间就有点长了。

struct Listnode
{
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _data;

// 申请空间的是后去内存 池
void* operator new(size_t n)
{
void* p = nullptr;
p = allocator<ListNode>().allocate(1);
cout << "memory pool allocate" << endl;
return p;
}
void operator delete(void* p)
{
allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
cout << "memory pool deallocate" << endl;
}
};
class List
{
public:
List()
{
_head = new ListNode;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
~List()
{
ListNode* cur = _head->_next;
while (cur != _head)
{
ListNode* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
delete _head;
_head = nullptr;
}
private:
ListNode* _head;
};

int main()
{
List l1;
return 0;
}

定位 new

我们已经知道了,使用operator new开辟出的空间是不会初始化的,而且现在我们是无法通过对象来显式调用构造函数的,这也就意味着我们要是向修改成员变量,一定会破坏封装.但是C++这里也提供了一个定位new的技术可以帮助我们再次实例化,我们先来看看用法.

class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
}
private:
int _a;
};

int main()
{
A* a = (A*)operator new(sizeof(A));

// 定位 new
new(a)A (1);
return 0;
}

从这里我们就可以知道了,定位new有下面两种用法

new(要初始化的指针) 指针解引用对应的类行直接调用默认构造函数
new(要初始化的指针) 指针解引用对应的类行 (构造函数要传的参数) 调用相应的构造函数

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