C/C++内存管理

2024-05-24 14:09:41 浏览数 (2)

引言

C/C 作为广泛使用的系统级编程语言，提供了直接操控内存的能力，这也意味着开发者需要对内存管理有深刻的理解。本文旨在深入浅出地讲解C/C 内存管理机制，包括内存分布、动态内存分配与释放、以及内存管理的最佳实践。

内存分布图解

image.pngimage.png

  1. 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。
  2. 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。
  3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
  5. 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

  1. malloc:
    • void* malloc(size_t size);
    • 功能：malloc函数用于在堆上分配一块连续的内存空间。它接受一个参数，即所需内存的大小（以字节为单位），并返回指向这块内存的指针。
    • 初始化：malloc不会对分配的内存进行初始化，内存中的内容是未定义的，可能是之前的值或者全零，具体取决于操作系统。
    • 使用场景：当不需要初始化内存或者特定初始化时使用。
  2. calloc:
    • void* calloc(size_t num, size_t size);
    • 功能：calloc也用于在堆上分配内存，但它接受两个参数，分别是要分配的元素数量和每个元素的大小（以字节为单位）。calloc会确保分配的内存区域中的每个字节都被初始化为零。
    • 初始化：与malloc不同，calloc会将分配的内存全部初始化为零，这使得它适合用于数组或结构体等需要初始化为默认值的情况。
    • 使用场景：当需要一个清零的内存块时使用，比如初始化数组。
  3. realloc:
    • void* realloc(void* ptr, size_t size);
    • 功能：realloc用于调整先前通过malloc、calloc或realloc分配的内存块的大小。它接受两个参数，第一个是之前分配的内存的指针，第二个是新的大小（可以比原来大也可以比原来小）。
    • 初始化：realloc不涉及初始化新分配的内存部分，如果扩大了内存块，新增的部分通常也是未定义的值。
    • 使用场景：当原先分配的内存大小不再满足需求，需要扩大或减小内存空间时使用。需要注意的是，如果减小内存空间，超出新大小的部分数据会被截断。

C 内存管理方式

对于C语言内存管理方式上的一些无法解决的地方和不方便使用的地方，C 进行优化，形成C 的内存管理机制。

new/delete操作内置类型

使用方式：

代码语言：javascript复制
// 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10
int* 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;

图示规则：

image.pngimage.png

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[]。

  • 尽量匹配使用

new和delete操作自定义类型

  • new和delete相比叫malloc和free在操作自定义类型上最大的区别就是对于自定义类型除了开辟空间，还会调用构造函数和析构函数。
  • 对于内置类型几乎操作一样

operator new与operator delete函数

对operator new与operator delete的源码剖析可以发现：

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间

  • operator new在全局函数中实际是通过：malloc申请空间
  • operator delete在全局函数中实际是通过：free销毁空间

new和delete的实现原理

内置类型

申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似 ，不同的地方是：new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

自定义类型

  • new的原理
    • new会首先会调用operator new函数来申请空间（malloc）
    • 然后再调用自定义类型的构造函数，在开辟的空间上执行构造函数，完成对象的构造
  • delete的原理
    • delete会先执行析构函数，将当前对象中的资源进行=清理
    • 后调用operaor delete函数进行释放对象创建时开辟的空间（free）
  • new T[N]的原理
    • 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
    • 在申请的空间上执行N次构造函数
  • delete[]的原理
    • 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
    • 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

定位new表达式(placement-new)

定位new表达式（Placement New Expression），或简称placement new，是C 中一种特殊的内存分配方式，它允许你在已经分配好的内存区域内构造对象。与标准的new操作符不同，定位new不负责内存的分配，而是直接在你指定的内存地址上调用对象的构造函数。这对于实现内存池、重复利用已分配的内存块、在特定内存位置（如共享内存）创建对象等场景非常有用

使用格式

  • new (place_address) type或者
  • new (place_address) type(initializer-list)

place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

示例

我们现在开辟一块与A类相同大小的空间

代码语言：javascript复制
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

使用定位new对已有的空间p1调用A的构造函数进行初始化

代码语言：javascript复制
new(p1)A;

注意事项

  1. 内存管理：使用定位new后，对象的生命周期管理完全由程序员负责。这意味着你不能使用普通的delete来释放这个对象，因为那会试图释放由malloc分配的内存，导致未定义行为。你应该直接调用对象的析构函数，并手动归还内存（如果适用）：
代码语言：javascript复制
A->~A(); // 手动调用析构函数
std::free(p1); // 释放内存

  1. 内存对齐：确保提供的内存地址是正确对齐的，以便能够容纳特定类型的对象。如果不对齐，可能导致未定义行为。
  2. 安全性：使用定位new时，你需要确保所指定的内存区域足够大，以容纳完整的对象实例，包括可能的内部对齐填充。否则，可能会覆盖周边内存，引发严重错误。
  3. 标准库支持：C 标准库提供了一个全局的operator new(void*, std::size_t)重载，它不执行任何实际的内存分配，专门用于定位new表达式。这个重载是固定的，不能被用户自定义版本替代。

常见面试题

malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。 不同的地方是：

  1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
  2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可， 如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
  4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
  5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常
  6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间 后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理
内存 内存管理 c++ 对象 函数

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