【C++要笑着学】C++动态内存管理 | new/delete底层探索 | new/delete实现原理 | 定位new
C语言里的 "动态内存管理" 放到 C++ 里面,用起来不是那么爽,所以C++就对这一块进行了升级,本章我们就探索探索 C++的内存管理,顺便复习一下C语言里讲过的动态内存管理的知识。学完本章,单身的同学不用怕了,以后没有对象我们可以 new 一个。
Ⅰ. C语言内存管理的方式回顾
0x00 C/C++ 内存分布
💬 观察下面一段代码,并回答问题:
🔑 答案:CCCAA AAADAB
栈区(stack)
栈是向下增长的。
栈又叫堆栈,非静态局部变量/函数参数/返回值等等,执行函数时,函数内部局部变量的存储单元都可以在栈上创建。
函数执行结束后这些存储单元会被自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,
拥有很高的效率,但是分配的内存容量是有限的。
栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区(heap)
堆是可以上增长的。
堆用于程序运行时动态内存分配,一般由程序员自主分配释放,若程序员不主动不释放,程序结束时可能由操作系统回收。
其分配方式类似于链表。
数据段(data segment)
数据段存放全局变量和静态数据,程序结束后由系统释放。
静态存储区,代码段(code segment)
代码段存放类成员函数和全局函数的二进制代码。
可执行的代码 / 只读常量。一个程序起来之后,会把它的空间进行划分,而划分是为了更好地管理。
函数调用,函数里可能会有很多变量,函数调用建立栈帧,栈帧里存形参、局部变量等等。
内存映射段(memory mapping)
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。
0x01 C语言中动态内存管理的方式
【面试题】malloc / calloc / realloc 的区别?
这些我们在C语言章节中都有详细的讲解:
malloc
📜 头文件:stdlib.h
📚 介绍:malloc 是C语言提供的一个动态内存开辟的函数,该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。具体情况如下:
① 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针。
② 如果开辟失败,则返回一个 NULL 指针。
③ 返回值的类型为 void* ,malloc 函数并不知道开辟空间的类型,由使用者自己决定。
④ 如果 size 为 0(开辟0个字节),malloc 的行为是标准未定义的,结果将取决于编译器。
calloc
📜 头文件:stdlib.h
📚 介绍:calloc 函数的功能实为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间,并把空间的每个字节初始化为 0 ,返回一个指向它的指针。
⭕ 对比:
① malloc 只有一个参数,而 calloc 有两个参数,分别为元素的个数和元素的大小。
② 与函数 malloc 的区别在于 calloc 会在返回地址前把申请的空间的每个字节初始化为 0 。
💬 验证: calloc 会对内存进行初始化
🚩 (运行结果是10个随机值)
🚩 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
🔺 总结:说明 calloc 会对内存进行初始化,把空间的每个字节初始化为 0 。如果我们对于申请的内存空间的内容,要求其初始化,我们就可以使用 calloc 函数。
0x03 realloc
📜 头文件:stdlib.h
📚 介绍:realloc 函数,让动态内存管理更加灵活。用于重新调整之前调用 malloc 或 calloc 所分配的 ptr 所指向的内存块的大小,可以对动态开辟的内存进行大小的调整。具体介绍如下:
① ptr 为指针要调整的内存地址。
② size 为调整之后的新大小。
③ 返回值为调整之后的内存起始位置,请求失败则返回空指针。
④ realloc 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。
📌 realloc 函数在调整内存空间时存在的三种情况:
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3:realloc 有可能找不到合适的空间来调整大小。
情况1:当原有空间之后没有足够大的空间时,直接在原有内存之后直接追加空间,原来空间的数组不发生变化。
情况2:当原有空间之后没有足够大的空间时,会在堆空间上另找一个合适大小的连续的空间来使用。函数的返回值将是一个新的内存地址。
情况3:如果找不到合适的空间,就会返回一个空指针。
Ⅱ. C++动态内存管理方式
0x00 引入
C语言内存管理方式在C++中可以继续使用,但有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦。
为了解决这种问题,C++ 又进化出属于自己的内存管理方式。
通过 new 和 delete 操作符进行动态内存管理。
0x01 new / delete 操作内置类型
💬 new 开辟空间:
而且 new 不需要强制类型转换。
是不是非常的爽,💬 C语言用完之后我们要用 free 函数释放:
💬 但是在C++里,我们可以用 delete:
这些指针要不要置空呢?
从安全角度看,这里当然还是置空一下比较好:
不知道大家还是否记得下面这张图(维生素C语言中讲解free的插图)
只是我们这里用 delete,并用 nullptr 置空了,本质是一样的。
0x03 初始化new数组的问题
new 数组:
C++98 不支持初始化C++11 允许大括号初始化,我们就可以用 { } 列表初始化:
0x04 new 和 delete 操作自定义类型
我们知道了,malloc / free 和 new / delete 对于内置类型没有本质区别,
那么它存在的意义是什么呢?仅仅是因为用法更简洁吗?
new 和 malloc 可以操作自定义类型,我们继续往下看。
当然不是,因为malloc 和 new 的对比
我们先来对比一下 malloc 和 new,俗话说的好,没有对比就没有伤害。
对于自定义类型,你也是可以用 malloc 的。
💬 用 malloc 创建对象:
对于这种是自定义类型的场景,你继续坚持用C语言的动态内存开辟的手段,
是 彳亍 的,没人会拦你,但是我们在来看看C++的:
直接看代码,同样是申请单个A对象和5个对象数组,C++写法明显是是更简单。
仅仅是因为如此吗?我们再来调试看一看。
🔍 让我看看!
我敲,还有这种功能?玩的这么花的吗,不仅能开内存,还能帮你初始化!
如果是一个数组,new 也会对它初始化。
💬 比如这里的 new A[5] ,它会依次对动态创建的5个对象进行初始化。
真的是太棒了,new 不仅会开内存,还会调用对应的构造函数初始化,多省事?
不仅仅是写法上变得简单了,对于自定义类型来说用起来也特别爽!还有什么理由不用 new 呢?
free 与 delete 的对比
💬 我们来对比一下 free 和 delete,它们都是用来释放内存空间的。
相对的,free 只是把 p1 p2 指向的空间释放掉。
而 delete 不仅会释 p1 p2 指向的空间,delete 还会调用对应的析构函数。
🔺 总结:
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。
new:在堆上申请空间 + 调用构造函数输出。
delete:先调用指针类型的析构函数 + 释放空间给堆上。
0x05 建议匹配使用
new 对应的是 delete,可以可以 new 出来的用 free 释放?
💡 不建议大家混着用, new 出来的用 free,有的编译器就会爆炸。
💬 new[] 出来的 你去 delate 而不是 delate[] 也会崩:
记住一个点就可以了:壹壹对应,匹配使用!malloc/free 和 delete/delete new[] / delete[]
(你要过马路你就老老实实走斑马线,不要瞎穿)
其实也不一定会出问题,具体得看编译器的检查机制,但是这个 "不一定" 就带有悬念了。
所以个人建议,还是老老实实的比较好。
Ⅲ. new 和 delete 的底层探索
0x00 operator new 与 operator delete 函数
通过上述两个全局函数的实现可以知道:
① operator new 实际上也是通过 malloc 来申请空间的。
② operator delete 最终也是通过 free 来释放空间的。
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的应对措施,
如果用户提供该措施就继续申请,否则就抛异常。
面向过程的语言处理错误的方式:
返回值 + 错误码解决(这个我们之前学过)。
而面向对象语言处理错误的方式:
一般是抛异常,C++中也要求出错抛异常 —— try catch(后期会细说)。
🔺 C++ 提出 new 和 delete,主要是解决两个问题:
① 自定义类型对象自动申请的时候,初始化合清理的问题。new / delete 会调用构造函数和析构函数。
② new 失败了以后要求抛异常,这样才符合面向语言的出错处理机制。
(delete 和 free 一般不会失败,如果失败了,都是释放空间上存在越界或者释放指针位置不对)
0x02 operator new 与 operator delete 的类专属重载
下面代码演示了,针对链表的节点 ListNode 通过重载类专属 operator new / operator delete,
实现链表节点使用内存池申请和释放内存,提高效率。
💬 我们先看看按照C的方式写:
我们创建节点还需要用 malloc 申请空间,还需要强制类型转换,之后还要自己写上初始化,
因为 malloc 失败返回 NULL,会存在野指针隐患,所以出于安全还要检查一下。
💬 我们再来看看 C++ 的方式:
new 会自动调用构造函数去完成初始化,就很舒服。
而在C++里,因为而且还不需要去检查是否开辟失败,因为 new 失败不会返回空,而是抛异常。
💬 我们再举个能用得上析构函数的例子 —— Stack:
Ⅳ. new 和 delete 的实现原理
0x00 对于内置类型
new 和 malloc,delete 和 free 基本相似。
如果申请的是内置类型的空间,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 再申请空间失败时会抛异常。
operator new 和 operator delete 就是对 malloc 和 free 的封装。
operator new 中调用 malloc 后申请内存,失败以后,改为抛异常处理错误,
这样符合C++面向对象语言处理错误的方式。
0x01 对于自定义类型
new 的原理:
① 调用 operator new 函数申请空间。
② 在申请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 在申请的空间上调用 N 次构造函数,对它们分别初始化。
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。
Ⅴ. 定位new
0x00 引入 - 我想手动初始化
如果不用 new,我想手动调用构造函数初始化,
假设我们这有一块空间,是从内存池取来的,或者是 malloc 出来的、operator new 出来的……
new,但是我想对他进行初始化,行不行?
我就不想用当然可以!定位new表达式帮你!
0x01 定位new表达式
定位 new 表达式实在已分配的原始空间中调用构造函数初始化一个对象。
简单来说就是,定位new表达式可以在已有的空间进行初始化。
📚 写法:
📌 注意:目标地址必须是一个指针
0x02 定位new的使用场景
定位 new 是很有用的!
比如开的空间是从内存池来的,如果想初始化,我们就可以使用它。
因为内存池分配出的内存初始化,所以如果是自定义类型的对象,
需要使用 new 定义的表达式进行显示调用构造函数进行初始化。
0x03 定位new用法演示
不带参定位new:
带参定位new:
💬 模拟一下 new 的行为:
没事这么写,其实就是脱裤子放屁,
但是有时候,内存不一定是从堆来的,比如从内存池来的,定位 new 就可以大显神功。
高并发内存池,实现定长内存池的时候就需要使用 定位 new。
析构函数释放
析构函数是可以显式调用的(构造函数不行)
参考资料:
Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .
. C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.
百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31].
📌 笔者:王亦优
📃 更新: 2022.3.28
❌ 勘误:暂无
📜 声明: 由于作者水平有限,本文有错误和不准确之处在所难免,本人也很想知道这些错误,恳望读者批评指正!
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