詳解C++中動態(tài)內(nèi)存管理和泛型編程
一、C/C++內(nèi)存區(qū)域劃分
1. 棧又叫堆棧--非靜態(tài)局部變量/函數(shù)參數(shù)/返回值等等，棧是向下增長的。
2. 內(nèi)存映射段是高效的I/O映射方式，用于裝載一個共享的動態(tài)內(nèi)存庫。用戶可使用系統(tǒng)接口創(chuàng)建共享共享內(nèi)存，做進程間通信。
3. 堆用于程序運行時動態(tài)內(nèi)存分配，堆是可以上增長的。
4. 數(shù)據(jù)段--存儲全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。
5. 代碼段--可執(zhí)行的代碼/只讀常量。
二、常見變量存儲區(qū)域
int globalVar = 1;//全局變量中在靜態(tài)區(qū)
static int staticGlobalVar = 1;//靜態(tài)區(qū)
void Test()
{
static int staticVar = 1;//靜態(tài)區(qū)
int localVar = 1;//棧區(qū)
int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };//棧區(qū)
char char2[] = "abcd";//棧區(qū)，*char2在棧區(qū)
const char* pChar3 = "abcd";//指針在棧區(qū)，*pchar3在常量區(qū)
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//指針在棧區(qū)，*ptr1在堆區(qū)
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));///棧區(qū)
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);//棧區(qū)
free(ptr1);
free(ptr3);
}三、new和delete
1、new和delete的使用方式
int main()
{
int* p1 = new int;//在堆區(qū)申請一個int大小的空間，不會初始化
int* p2 = new int(0);//申請并初始化為0
delete p1;
delete p2;
int* p3 = new int[10];//在堆區(qū)申請一塊10個int大小的空間，未初始化
int* p4 = new int[10]{ 1,2,3,4 };//初始化為{1,2,3,4,0,0,0,0,0,0}
delete[] p3;
delete[] p4;
return 0;
}
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[]，一定要匹配起來使用。
2、new、delete和malloc、free的區(qū)別
1、對于內(nèi)置類型，沒有區(qū)別。
2、new和delete是C++的關(guān)鍵字/操作符，而malloc和free是C語言的庫函數(shù)。
3、對于自定義類型，相比于malloc和free，new和delete會額外調(diào)用類中的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。
4、malloc的返回值是void*，使用時需要強轉(zhuǎn)，new后邊跟的是空間的類型，所以new不需要強轉(zhuǎn)。
5、malloc失敗返回空指針，需要判空；new失敗拋異常，需要捕獲異常。
3、new的原理
new等于operator new()+構(gòu)造函數(shù)。operator new()不是new運算符的重載，因為參數(shù)沒有自定義類型。它是一個庫里的全局函數(shù)。
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);
}
從底層代碼可以看出operator new()是對malloc的封裝，如果malloc失敗，將會拋出異常。
4、delete的原理
delete等于operator delete()+析構(gòu)函數(shù)
//operator delete: 該函數(shù)最終是通過free來釋放空間的
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 );//調(diào)用free()
__FINALLY
_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
__END_TRY_FINALLY
return; }
//free的實現(xiàn)
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)從底層代碼可以看出operator delete()調(diào)用了free。
所以針對內(nèi)置類型或無資源的類對象delete時，使用delete和free效果相同。但對于有資源需要釋放的對象時，直接使用free雖然釋放了對象的空間，但對象內(nèi)部的資源還未被清理，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏！這種情況必須使用delete。
5、new T[N]原理
1、new T[N]調(diào)用operator new[]
2、operator new[]調(diào)用operator new完成N個對象空間的開辟。
3、調(diào)用N次構(gòu)造函數(shù)完成N個對象的初始化。
6、delete[]原理
1、調(diào)用N次析構(gòu)函數(shù)完成N個對象資源的清理工作。
2、調(diào)用operator delete[]
3、operator delete[]調(diào)用operator delete完成整段空間的釋放。
四、定位new
1、定位new的概念
對于一個類，我們可以顯式的去調(diào)用類的析構(gòu)函數(shù)，但是不能顯式調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，那么使用定位new，就可以顯式調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)，對一塊空間重新初始化。
2、定位new的使用格式
new (指針)類名或者new (指針) type(初始化列表)
int main()
{
Date d1;
new(&d1)Date;//new (指針)類名
Date* p = new Date[4]{ {2022,10,15},{2023,11,8} };
new(p)Date[4];//new (指針) type(初始化列表)
delete[] p;
return 0;
}
上述代碼一共調(diào)用了10次構(gòu)造函數(shù)，經(jīng)過定位new的處理，d1和p所代表的空間已經(jīng)被重新初始化了。
3、定位new的使用場景
一般不會像上邊代碼一樣，對一塊已有對象數(shù)據(jù)的空間重新初始化。定位new表達(dá)式在實際中一般是配合內(nèi)存池使用。因為內(nèi)存池分配出的內(nèi)存沒有初始化，對于自定義類型的對象，可以使用定位new對這些沒有被初始化的內(nèi)存顯式調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)初始化。
五、泛型編程
泛型編程：編寫與類型無關(guān)的通用代碼，是代碼復(fù)用的一種手段。模板是泛型編程的基礎(chǔ)。
模板分為函數(shù)模板和類模板
六、函數(shù)模板
1、函數(shù)模板的使用
template<typename T>
void Swap(T& a, T& b)
{
T tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}
int main()
{
int a = 10, b = 5;
double m = 2.3, n = 4.9;
Swap(a, b);
Swap(m, n);
return 0;
}兩個Swap調(diào)用的不是模板，而是模板生成的實例化函數(shù)，像上述代碼中，模板會生成int和double類型的兩種實例化函數(shù)。
2、不同類型形參傳參時的處理
2.1傳參時強轉(zhuǎn)（對應(yīng)形參需要const修飾）
template<typename T>
T Add(const T& a,const T& b)//const接收常性實參
{
return a + b;
}
int main()
{
int a = 10, b = 5;
double m = 2.3, n = 4.9;
Add(a, (int)m);//強轉(zhuǎn)，臨時變量傳參，具有常性
return 0;
}
使用強制類型轉(zhuǎn)換在推演的時候?qū)⑿螀⑥D(zhuǎn)換成同一類型。
2.2顯式實例化（傳參時隱式類型轉(zhuǎn)，對應(yīng)形參需要const修飾）
template<typename T>
T Add(const T& a, const T& b)//需要使用const接收
{
return a + b;
}
int main()
{
int a = 10, b = 5;
double m = 2.3, n = 4.9;
Add<int>(a, m);//顯式實例化，m發(fā)生隱式類型轉(zhuǎn)換
return 0;
}
顯式實例化編譯器不再去推演T的類型，而是直接使用尖括號內(nèi)的類型實例化對應(yīng)函數(shù)。
2.3使用多個模板
template<typename T1,class T2>//可以寫typename也可以寫class
T1 Add(const T1& a, const T2& b)
{
return a + b;
}
int main()
{
int a = 10, b = 5;
double m = 2.3, n = 4.9;
Add(a, m);//Add<int,double>(a,m);多個模板的手動推演
return 0;
}
3、模板和實例可以同時存在，編譯器會優(yōu)先調(diào)用實例
template<typename T>//可以寫typename也可以寫class
T Add(const T& a, const T& b)
{
return a + b;
}
int Add(const int& a, const int& b)
{
return a + b;
}
int main()
{
int a = 10, b = 5;
double m = 2.3, n = 4.9;
Add(a, m);//調(diào)用已有實例
Add<int>(a, m);//調(diào)用模板生成的實例
return 0;
}1、模板和普通函數(shù)的函數(shù)名修飾規(guī)則是不一樣的。
2、模板和實例可以同時存在，編譯器會優(yōu)先調(diào)用實例。如果想使用模板生成的實例，必須使用尖括號指定類型。
3、如果模板可以生成更加匹配的版本，編譯器將會生成這個匹配版本而不是使用那個已有但不太匹配的實例。
六、類模板
1、對象定義時需要顯式實例化
int main()
{
Stack<double> st1; // double
st1.Push(1.1);
Stack<int> st2; // int
st2.Push(1);
return 0;
}
函數(shù)模板可以通過傳參確定T的類型，但是類模板編譯器無法推演，必須要在對象定義時顯式實例化類型。
模板參數(shù)不同，他們就是不同的類型。st1和st2屬于不同的類定義出的兩個對象。所以不能有st1=st2，因為他們不是同一個類，除非針對這種賦值，自己寫一個賦值重載。
2、為什么stl被稱為模板
類模板和函數(shù)模板不同，需要在實例化的時候在類名后加上<類型>。
類模板不是真正的類，而實例化出來的才是真正的類。
// Vector是類模板，Vector<int>才是類型 Vector<int> s1; Vector<double> s2;
以上就是詳解C++中動態(tài)內(nèi)存管理和泛型編程的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++動態(tài)內(nèi)存管理 泛型編程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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