兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),我們終于結(jié)束了C++中非常重要的一環(huán)**(類和對(duì)象),現(xiàn)在來到了C++中的內(nèi)存管理章節(jié).在此篇文章中,博主將會(huì)介紹內(nèi)存的分布,不同于c的新型申請(qǐng)堆區(qū)空間方法,new,delete和C中的malloc等有什么不同.**

C/C++內(nèi)存分布

在c和c++中,內(nèi)存區(qū)大概分為這幾個(gè)板塊:棧區(qū),內(nèi)存映射段,堆區(qū),數(shù)據(jù)段和代碼段.

棧區(qū): 存放非靜態(tài)局部變量,函數(shù)參數(shù),函數(shù)返回值等,其優(yōu)先使用高地址,并逐漸往下.
內(nèi)存映射段:高效的I/O映射方式，用于裝載一個(gè)共享的動(dòng)態(tài)內(nèi)存庫。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享內(nèi)存，做進(jìn)程間通信.由于博主還未更新到操作系統(tǒng),這里不做過多介紹.
堆區(qū): 用于程序運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配(一般使用malloc),其優(yōu)先使用低地址,逐漸往上.
數(shù)據(jù)段:存儲(chǔ)全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)變量.
代碼段:可執(zhí)行的代碼/只讀常量.

理論千遍,不如用例子一現(xiàn),大家往下看:

在上圖中,大家可以清晰的看到各種類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域,一目了然.

c語言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式

我們?cè)趯W(xué)習(xí)c語言時(shí)候,想要向堆區(qū)申請(qǐng)一塊空間,只能通過malloc()函數(shù),而且操作比較麻煩,需要計(jì)算申請(qǐng)空間的大小并且進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換.

int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3 );

我們可以清晰的看到,在c語言中申請(qǐng)一塊堆區(qū)內(nèi)存空間,操作有點(diǎn)繁瑣,那么在C++語言中,是怎么申請(qǐng)一塊堆區(qū)內(nèi)存呢?

C++內(nèi)存管理方式

在c++中,c語言的內(nèi)存管理方式依然可以使用,但是有些地方仍然使用c中的方法進(jìn)行申請(qǐng)就比較麻煩,因此C++又提出了自己的內(nèi)存管理方式:通過new和delete操作符進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理.

那么什么時(shí)候使用c內(nèi)存管理方式就會(huì)比較麻煩呢?比如下面:

class Stack
{
public:
	Stack(int* p,int n)
    {
        val = p;
        top = capacity = n;
    }
private:
    int* val;
    int top;
    int capacity;
};
int main()
{
    Stack* stack = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
    //然后現(xiàn)在我們想要進(jìn)行初始化,發(fā)現(xiàn)好像不能操作了(因?yàn)樗接谐蓡T外部無法訪問),這就會(huì)比較麻煩,因此提出了new和delete的操作
    return 0;
}

new和delete操作基礎(chǔ)類型

①開辟單個(gè)元素基本語法: type* name = new type(content);

①釋放空間語法: delete name;

其中type是開辟的元素類型,name是變量名,content是想要賦的值,例如:

int* a = new int(10);         //開辟一個(gè)整型空間,并且初始化為10;
char* s = new char('s');      //開辟一個(gè)字符空間,并且初始化為's';
delete a;
delete s;                     //釋放a和s

②開辟數(shù)組基本語法: type* name = new type[n]

②刪除數(shù)組基本語法:delete[] name;

其中type是開辟的元素類型,name是數(shù)組名,n是空間數(shù)量,例如:

int* num = new int[10];         //開辟10個(gè)int類型的空間
char* str = new char[10];        //開辟10個(gè)char類型的空間
delete[] num;
delete[] str;    //釋放num和str;

注意點(diǎn):在c語言中malloc,realloc,calloc等是函數(shù),在c++中,new和delete是操作符.

new和delete操作自定義類型

使用語法和上面的自定義類型幾乎一樣,只是初始化位置有點(diǎn)差別,語法:type* name = new type(s1,s2,s3...);

其中type是自定義的類型,s1,s2,s3等是自定義類型中構(gòu)造函數(shù)的對(duì)應(yīng)參數(shù).例子:

class Test
{
public:
    Test(int a,int b,int c)
    {
        _a = a;
        _b = b;
        _c = c;
    }
private:
    int _a;
    int _b;
    int _c;
};
int main()
{
    Test* t = new Test(1,2,3);  //根據(jù)構(gòu)造函數(shù)參數(shù)列表寫對(duì)應(yīng)參數(shù).
    delete t;
}

基于malloc開辟并初始化的自定義類型

有人可能會(huì)有點(diǎn)好奇,說,我就是要用malloc開辟自定義類型,但是我還想初始化,這么進(jìn)行操作?答案是,可以的,需要搭配new

語法 new(type*) type(s1,s2,s3...)

什么意思呢?我們?nèi)匀话凑丈厦娴腡est類舉例:

Test* t = (Test*) malloc(sizeof(Test));
new(t)Test(1,2,3);    //這樣就可以初始化了.

new和delete底層實(shí)現(xiàn)原理

在講解他們的底層實(shí)現(xiàn)原理之前我們先介紹一下兩個(gè)全局函數(shù),分別是operator new 和operator delete.

operator new和operator delete

大家看到上面的形式可能會(huì)誤認(rèn)為是對(duì)new和delete進(jìn)行了重載,實(shí)際并不是,只是這兩個(gè)函數(shù)就叫做這名字而已.

我們?cè)趯W(xué)習(xí)C語言時(shí)候,還記得是當(dāng)開辟空間時(shí)候需要進(jìn)行檢查是否成功嗎?而operator new其實(shí)和malloc一模一樣,只是它對(duì)空間開辟失敗后做出的反應(yīng)是拋出異常,而c語言中,我們是手動(dòng)判斷,然后停止.下面是operator new的代碼:

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)              //如果開辟成功就不會(huì)進(jìn)入循環(huán),并且可以清晰
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申請(qǐng)內(nèi)存失敗了，這里會(huì)拋出bad_alloc 類型異常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

同理,operator delete不過也就是free,下面是它的代碼:

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;
}

總結(jié):operator new其實(shí)就是對(duì)malloc的封裝,operator delete 就是堆free的封裝.

new的底層實(shí)現(xiàn)

new的實(shí)現(xiàn)其實(shí)是進(jìn)一步對(duì)malloc的封裝,因?yàn)閚ew的操作可以分為下面兩件事:

調(diào)用operator new進(jìn)行開辟空間.
如果開辟的空間是自定義類型,new再調(diào)用其構(gòu)造函數(shù).

所以說,new的內(nèi)部其實(shí)就是有構(gòu)造函數(shù)和operator new封裝而成.

delete的底層實(shí)現(xiàn)

同樣的道理,delete不過就是對(duì)free的進(jìn)一步封裝,因?yàn)閐elete的操作可以分為下面兩件事:

如果new開辟的空間是自定義類型,則首先調(diào)用其析構(gòu)函數(shù)釋放其內(nèi)部資源.
然后再調(diào)用operator delete,進(jìn)行釋放new所開辟出來的空間.

注意了,這里可能有人不明白自定義類型先釋放內(nèi)部,然后銷毀外部空間啥意思,博主這里畫圖介紹,不過大家先看一下下面的一個(gè)類:

class Stack
{
public:
	Stack()
		:num(new int[10]),
		top(0),capacity(10)
	{}
	~Stack()
	{
		delete[] num;
		top = capacity = 0;
	}
private:
	int* num;
	int top;
	int capacity;
};
int main()
{
    Stack stack;
    delete stack;
    return 0;
}

如果我們定義一個(gè)該對(duì)象,那么其空間分布如下: