当前位置：首页 > news >正文

深入剖析 C 与 C++ 动态内存管理之术

news 2024/10/23 18:08:09

亲爱的读者朋友们😃，此文开启知识盛宴与思想碰撞🎉。

快来参与讨论💬，点赞👍、收藏⭐、分享🥰，共创活力社区。

🔥🔥🔥【C++】进阶：类相关特性的深入探讨

【C++】类的默认成员函数：深入剖析与应用（下）

💯前言

💯C/C++内存分布

💯C 语言中动态内存管理方式

（一）malloc函数

（二）calloc函数

（三）realloc函数

（四）free函数

💯C++ 中动态内存管理

（一）new操作符

（二）delete操作符

（三） new/delete操作内置类型

（四）new和delete操作自定义类型

💯operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

（一）operator new函数

（二）operator delete函数

💯new和delete的实现原理

（一）new的实现原理

（二）delete的实现原理

💯定位new表达式 (placement - new)

（一）使用方法

（二）注意事项

💯总结

💯前言

在编程的广阔天地中，内存管理犹如一座坚实的基石，支撑着程序的稳定运行。无论是 C 语言还是 C++ 语言，动态内存管理都是一项关键技能，它赋予程序员在运行时灵活分配和释放内存的能力。

🎦本文将深入探讨 C 语言中的动态内存管理方式、C++ 中的动态内存管理方式，以及 C++ 中特有的operator new与operator delete函数、new和delete的实现原理以及定位new表达式（placement - new）。

💯C/C++内存分布

😃每日思考：

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. 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（数据段(静态区)）
staticGlobalVar 在哪里？C（数据段(静态区)）
staticVar 在哪里？C（数据段(静态区)）
localVar 在哪里？A（栈）
num1 在哪里？A（栈）
char2 在哪里？A（栈）
*char2 在哪里？在 char2 数组所分配的栈空间中
pChar3 在哪里？A（栈）
*pChar3 在哪里？常量区（"abcd"存储在常量区，pChar3 指向这里）
ptr1 在哪里？A（栈）
*ptr1 在哪里？B（堆）（ptr1 指向通过 malloc 分配在堆上的空间）2. 填空题：
sizeof(num1) = 40（假设 int 占 4 个字节，10 个 int 元素）
sizeof(char2) = 5（4 个字符加上结束符'\0'）
strlen(char2) = 4（不包括结束符的字符长度）
sizeof(pChar3) = 8（或其他指针大小，取决于平台）
strlen(pChar3) = 4
sizeof(ptr1) = 8（或其他指针大小，取决于平台）3. sizeof 和 strlen 区别？
sizeof 是运算符，在编译时确定其操作数的大小，可用于各种类型，包括数组时返回整个数组占用字节数，对于指针返回指针本身大小。
strlen 是函数，在运行时计算以空字符结尾的字符串长度，通过遍历字符串直到遇到空字符'\0'来确定长度，只能用于以空字符结尾的字符串。

📌【说明】

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。
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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段--存储全局数据和静态数据。
代码段--可执行的代码/只读常量。

💯C 语言中动态内存管理方式

C 语言主要通过malloc、calloc、realloc和free函数来进行动态内存管理。

（一）`malloc`函数

void *malloc(size_t size)用于分配指定大小的内存空间。返回值为指向分配内存的指针，如果分配失败则返回NULL。

int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
if (ptr == NULL) {printf("内存分配失败！\n");return;
}
*ptr = 10;
printf("分配的整数为：%d\n", *ptr);
free(ptr);

（二）`calloc`函数

void *calloc(size_t num, size_t size)用于分配num个大小为size的内存空间，并将其初始化为 0。

int *arr = (int *)calloc(5, sizeof(int));
if (arr == NULL) {printf("内存分配失败！\n");return;
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {printf("数组元素 %d：%d\n", i, arr[i]);
}
free(arr);

（三）`realloc`函数

void *realloc(void *ptr, size_t size)用于调整已分配内存空间的大小。如果ptr为NULL，则相当于malloc(size)；如果调整成功，返回指向新分配内存的指针，否则返回NULL。

int *old_arr = (int *)calloc(3, sizeof(int));
int *new_arr = (int *)realloc(old_arr, 5 * sizeof(int));
if (new_arr == NULL) {printf("内存调整失败！\n");return;
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {new_arr[i] = i;printf("新数组元素 %d：%d\n", i, new_arr[i]);
}
free(new_arr);

（四）`free`函数

void free(void *ptr)用于释放由malloc、calloc或realloc分配的内存空间。

💯C++ 中动态内存管理

C++ 中除了可以使用 C 语言的动态内存管理函数外，还提供了new和delete操作符来进行动态内存管理。

（一）`new`操作符

用于动态分配内存并调用构造函数初始化对象。

class MyClass {
public:MyClass(int value) : data(value) {}int getData() const { return data; }
private:int data;
};MyClass *obj = new MyClass(42);
std::cout << "对象的数据：" << obj->getData() << std::endl;
delete obj;

对于数组的动态分配：

int *arr = new int[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {arr[i] = i * 2;
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {std::cout << "数组元素 " << i << "：" << arr[i] << std::endl;
}
delete[] arr;

（二）`delete`操作符

用于释放由new分配的内存空间，并调用析构函数。如果是单个对象，使用delete；如果是数组，使用delete[]。

（三） new/delete操作内置类型

void Test() {// 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 10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请 10 个 int 类型的空间int* ptr6 = new int[10];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;
}

❗注意：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[]，注意：匹配起来使用。

（四）new和delete操作自定义类型

#include <iostream>class A {
public:A(int a = 0) : _a(a) {std::cout << "A():" << this << std::endl;}~A() {std::cout << "~A():" << this << std::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));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));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;
}

🎒注意：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。

💯operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

在 C++ 中，可以自定义operator new和operator delete函数来实现自定义的内存分配和释放策略。

（一）`operator new`函数

原型为void* operator new(size_t size)，用于分配指定大小的内存空间。可以重载这个函数以满足特定的内存分配需求。

class CustomAllocator {
public:void* operator new(size_t size) {void* ptr = malloc(size);if (ptr == NULL) {throw std::bad_alloc();}return ptr;}void operator delete(void* ptr) {free(ptr);}
};CustomAllocator *obj = new CustomAllocator();
delete obj;

（二）`operator delete`函数

原型为void operator delete(void* ptr)，用于释放由operator new分配的内存空间。同样可以重载这个函数来实现特定的内存释放策略。

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) {// try to allocate size bytesvoid *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;
}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 headerpHead = 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;
}#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

💯`new`和`delete`的实现原理

（一）`new`的实现原理

首先调用operator new函数分配足够的内存空间。然后检查是否分配成功，如果失败则抛出std::bad_alloc异常。如果分配成功，对于单个对象，调用构造函数初始化对象；对于数组，调用每个元素的默认构造函数初始化数组元素。

（二）`delete`的实现原理

对于单个对象，首先调用对象的析构函数。然后调用operator delete函数释放内存空间。对于数组，先调用每个元素的析构函数，然后释放内存空间。

💯定位`new`表达式 (placement - new)

定位new表达式允许在已分配的内存空间上构造对象，而无需重新分配内存。

（一）使用方法

首先使用malloc或其他方式分配一块内存空间。

void *buffer = malloc(sizeof(MyClass));
MyClass *obj = new (buffer) MyClass(33);
std::cout << "定位 new 对象的数据：" << obj->getData() << std::endl;
obj->~MyClass();
free(buffer);

（二）注意事项

当使用定位new表达式构造对象后，必须显式调用对象的析构函数来销毁对象，而不能直接使用delete，因为内存不是通过operator new分配的。定位new表达式通常用于特定的场景，如内存池管理、对象的序列化和反序列化等。

💯总结

C 语言和 C++ 语言的动态内存管理方式各有特点。🌠C 语言的malloc、calloc、realloc和free函数提供了基本的内存操作手段。🌠而 C++ 在其基础上，通过new和delete操作符以及可自定义的operator new和operator delete函数，进一步增强了内存管理的灵活性和可控性。定位new表达式则为特定场景下的内存管理提供了独特的解决方案。