前言

在我們?nèi)粘懘a的過程中，我們對內(nèi)存空間的需求有時候在程序運行的時候才能知道，這時候我們就需要使用動態(tài)開辟內(nèi)存的方法。

1、C/C++程序的內(nèi)存開辟

首先我們先了解一下C/C++程序內(nèi)存分配的幾個區(qū)域：

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. 棧區(qū)（stack）：在執(zhí)行函數(shù)時，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。 棧區(qū)主要存放運行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回數(shù)據(jù)、返回地址等。
• 2. 堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。分配方式類似于鏈表。
• 3. 數(shù)據(jù)段（靜態(tài)區(qū)）（static）存放全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
• 4. 代碼段：存放函數(shù)體（類成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進制代碼。

這幅圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)普通的局部變量是在棧上分配空間的，在棧區(qū)中創(chuàng)建的變量出了作用域去就會自動銷毀。但是被static修飾的變量是存放在數(shù)據(jù)段(靜態(tài)區(qū))，在數(shù)據(jù)段上創(chuàng)建的變量直到程序結(jié)束才銷毀，所以數(shù)據(jù)段上的數(shù)據(jù)生命周期變長了。

2.C語言中動態(tài)內(nèi)存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

在C語言中，我們經(jīng)常會用到malloc,calloc和realloc來進行動態(tài)的開辟內(nèi)存；同時，C語言還提供了一個函數(shù)free，專門用來做動態(tài)內(nèi)存的釋放和回收。其中他們?nèi)齻€的區(qū)別也是我們需要特別所強調(diào)區(qū)別的。

2.1malloc、calloc、realloc區(qū)別？

malloc函數(shù)是向內(nèi)存申請一塊連續(xù)可用的空間，并返回指向這塊空間的指針。

calloc與malloc的區(qū)別只在于calloc會在返回地址之前把申請的空間的每個字節(jié)初始化為0。

realloc函數(shù)可以做到對動態(tài)開辟內(nèi)存大小的調(diào)整。

我們通過這三個函數(shù)的定義也可以進行功能的區(qū)分：

void Test ()
{
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 );
}

3.C++內(nèi)存管理方式

我們都知道，C++語言是兼容C語言的，因此C語言中內(nèi)存管理方式在C++中可以繼續(xù)使用。但是有些地方就無能為力了，并且使用起來也可能比較麻煩。因此，C++擁有自己的內(nèi)管管理方式：通過new和delete操作符進行動態(tài)內(nèi)存管理。

3.1 new/delete操作內(nèi)置類型

int main()
{
// 動態(tài)申請一個int類型的空間
int* ptr1 = new int;
// 動態(tài)申請一個int類型的空間并初始化為10
int* ptr2 = new int(10);
// 動態(tài)申請3個int類型的空間(數(shù)組)
int* ptr3 = new int[3];
// 動態(tài)申請3個int類型的空間,初始化第一個空間值為1
int* ptr4 = new int[3]{ 1 };
delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;
delete[] ptr4;
return 0;
}

  我們首先通過畫圖分析進行剖析代碼：

我們在監(jiān)視窗口看看這3個變量

注意：申請和釋放單個元素的空間，使用new和delete操作符，申請和釋放連續(xù)的空間，使用new[]和delete[]，要匹配起來使用。

3.2 new和delete操作自定義類型

class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
return 0;
}

在這段代碼中，p1是我們使用malloc開辟的，p2是通過new來開辟的。我們編譯運行這段代碼。

發(fā)現(xiàn)輸出了這兩句，那這兩句是誰調(diào)用的呢?我們通過調(diào)試逐語句來分析這個過程

內(nèi)置類型區(qū)別

注意：在申請自定義類型的空間時，new會自動調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，delete時會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，而malloc和free不會。

3.3new和malloc處理失敗

int main()
{
void* p0 = malloc(1024 * 1024 * 1024);
cout << p0 << endl;

//malloc失敗，返回空指針
void* p1 = malloc(1024 * 1024 * 1024);
cout << p1 << endl;
try
{
//new失敗，拋異常
void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << p2 << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}

 我們能夠發(fā)現(xiàn)，malloc失敗時會返回空指針，而new失敗時，會拋出異常。

4.operator new與operator delete函數(shù)

4.1 operator new與operator delete函數(shù)

C++標準庫還提供了operator new和operator delete函數(shù)，但是這兩個函數(shù)并不是對new和delete的重載，operator new和operator delete是兩個庫函數(shù)。(這里C++大佬設(shè)計時這樣取名確實很容易混淆)

4.1.1 我們看看operator new庫里面的源碼

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(nèi)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);
}

庫里面operator new的作用是封裝了malloc，如果malloc失敗，拋出異常。

4.1.2 operator delete庫里面的源碼

該函數(shù)最終是通過free來釋放空間的

//operator delete 源碼
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;
}

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

4.1.3 operator new和operator delete的價值(重點)

class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//跟malloc功能一樣，失敗以后拋出異常
A* ps1 = (A*)operator new(sizeof(A));
operator delete(ps1);

A* ps2 = (A*)malloc(sizeof(A));
free(ps2);
A* ps3 = new A;
delete ps3;
return 0;
}

我們使用new的時候，new要開空間，要調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。new可以轉(zhuǎn)換成call malloc，call 構(gòu)造函數(shù)。但是call malloc 一旦失敗，會返回空指針或者錯誤碼。在面向?qū)ο蟮恼Z言中更喜歡使用異常。而operator new相比較malloc的不同就在于如果一旦失敗會拋出異常，因此new的底層實現(xiàn)是調(diào)用operator new，operator new會調(diào)用malloc(如果失敗拋出異常)，再調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。

我們通過匯編看一下ps3

operator delete同理。

總結(jié)：通過上述兩個全局函數(shù)的實現(xiàn)知道，operator new 實際也是通過malloc來申請空間，如果malloc申請空間成功就直接返回，否則執(zhí)行用戶提供的空間不足應(yīng)對措施，如果用戶提供該措施就繼續(xù)申請，否則就拋異常。operator delete 最終是通過free來釋放空間的。

4.2 重載operator new 與 operator delete（了解）

專屬的operator new技術(shù)，提高效率。應(yīng)用：內(nèi)存池

class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}

// 專屬的operator new
void* operator new(size_t n)
{
void* p = nullptr;
p = allocator<A>().allocate(1);
cout << "memory pool allocate" << endl;
return p;
}
void operator delete(void* p)
{
allocator<A>().deallocate((A*)p, 1);
cout << "memory pool deallocate" << endl;

}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
int n = 0;
cin >> n;
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
A* ps1 = new A; //operator new + A的構(gòu)造函數(shù)
}
return 0;
}

注意：一般情況下不需要對 operator new 和 operator delete進行重載，除非在申請和釋放空間時候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申請和釋放空間時，打印一些日志信息，可以簡單幫助用戶來檢測是否存在內(nèi)存泄漏。

5.new 和 delete 的實現(xiàn)原理

5.1 內(nèi)置類型

如果申請的是內(nèi)置類型的空間，new和malloc，delete和free基本類似，不同的地方是：new/delete申請和釋放的是單個元素的空間，new[]和delete[]申請的是連續(xù)空間，而且new在申請空間失敗時會拋異常，malloc會返回NULL。

5.2 自定義類型

5.2.1 new原理

• 1、調(diào)用operator new函數(shù)申請空間
• 2、再調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，完成對對象的構(gòu)造。

5.2.2 delete原理

• 1、先調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，完成對對象中資源的清理工作。
• 2、調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對象的空間

5.2.3 new T[N]原理

• 1、先調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中世紀調(diào)用operator new函數(shù)完成N個對象空間的申請
• 2、在申請的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)

5.2.4 delete[]原理

• 1、在釋放的對象空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成對N個對象中資源的清理
• 2、調(diào)用operator delete[]釋放空間，實際在operator delete[]中調(diào)用operator delete來釋放空間。

6.malloc/free和new/delete的異同

6.1malloc/free和new/delete的共同點

都是從堆上申請空間，都需要用戶手動釋放空間。

6.2malloc/free和new/delete的不同點

• 1：malloc和free是函數(shù)，new和delete是操作符
• 2：malloc申請的空間不會初始化，new可以初始化
• 3：malloc申請空間時，需要手動計算空間大小并傳遞，new只需在其后跟上空間的類型即可，如果是多個對象，[]中指定對象個數(shù)即可
• 4：malloc的返回值為void*, 在使用時必須強轉(zhuǎn)，new不需要，因為new后跟的是空間的類型
• 5：malloc申請空間失敗時，返回的是NULL，因此使用時必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常
• 6：申請自定義類型對象時，malloc/free只會開辟空間，不會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)，而new在申請空間后會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對象的初始化，delete在釋放空間前會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理

到此這篇關(guān)于一文詳解C++中動態(tài)內(nèi)存管理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++動態(tài)內(nèi)存管理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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