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C++知识整理day4内存管理——new和delete详解

1.C/C++内存分布

我们先来看如下一段代码:

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);
}

Q1:选择题
选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar在哪里?C
staticGlobalVar在哪里?C
staticVar在哪里?C
localVar在哪里?A
num1 在哪里?A

Q2:
char2在哪里?A
*char2在哪里?A
pChar3在哪里?A
*pChar3在哪里?D
ptr1在哪里?A
*ptr1在哪里?B

对于Q1比较简单,Q2少有难度,我们先看如下解释:

  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。(Linux知识点)
  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。

在这里插入图片描述
来分析一下Q2,对于char2,它是一个普通字符串(不是常量字符串,本人当时搞混了),"abcd"应该是存放在栈当中的,char2应该是首元素字符a的地址,所以char2是被存放到栈当中的,其中内容应该是字符a的地址,所以说char2是在栈当中的。对于 *char2 它是对地址的解引用也是在栈当中。

注意对于pchar3:const char* pChar3 = "abcd";const修饰的是 * pchar3,不是char3,说明pchar3指向的内容是不允许修改的,并不是指针pchar3不可以改变指向。

其他就都很简单啦。

2.C语言中动态内存管理:malloc/realloc/calloc

void Test ()
{
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么?
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 2.这里不需要free(p2)
free(p3 );
}

可以详细看这篇博客:C语言动态内存开辟

3.C++内存管理方式

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,因此C++又提出了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。

3.1 new/delete操作内置类型

示例:

void Test()
{
// 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,也可以初始化
int* ptr6 = new int[3]{1, 2, 3};
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}

在这里插入图片描述
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[],注意:匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
A(int a = 1)
:_a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};

int main()
{
// new/delete 和 malloc/free最大区别是 
// new/delete对于【自定义类型】除了开空间
//还会调用构造函数和析构函数
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;

// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;

return 0;
}

注意: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。

4.malloc/free和new/delete到底什么区别?

4.1 对于自定义类型

对于自定义类型,malloc和new本质上是没有任何区别的,只不过在开创内存失败的时候,malloc需要我们手动来写个判断条件,看开辟的内存是否成功,而new会给我们抛一个异常,我们来解释一下抛异常概念:

double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
string s("Divide by zero condition!");
throw s;
}
else
{
return ((double)a / (double)b);
}

return 0;
}

int main()
{
try
{
int len, time;
cin >> len >> time;

cout << Divide(len, time) << endl;
}
catch (const string& s)
{
cout << s << endl;
}

return 0;
}

虽然堆区是很大的,但是当我们开辟的空间太大时,也可能会报错,我们来看malloc和new的区别:

new方式:(这里电脑太卡了,截图没有保存到)

void func()
{
int i = 1;
while (1)
{
int* p1 = new int[1024 * 1024 * 1024];//每次开辟1GB
cout << i << "->" << p1 << endl;
i++;
}
}

int main()
{
try
{
func();
}
catch (const std::exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}

return 0;
}

我的电脑大概跑了12次,也就是堆区大概有12G的空间,之后会报bad alloction。可惜的是截图没有截到,不能在跑了,太卡了。

对于malloc方式,我们必须手动写判断语句,不然程序直接崩溃。

4.2 对于自定义类型

class A
{
public:
A(int a1 = 0, int a2 = 0) //构造函数
:_a1(a1)
,_a2(a2)
{
cout << "A()" << this << endl;
}
~A() //析构函数
{
cout << "~A()" << this << endl;
}
private:
int _a1;
int _a2;
};

int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1, 1);
free(p1);
delete(p2);

//A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10); 
//第一种初始化方式
//A a1(1), a2(2), a3(3);
//A* p6 = new A[3]{a1, a2, a3};
//A a1 = { 1,1 };
//第二种初始化方式:注意必须要用花括号括起来
//A* p6 = new A[10]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };
//A* p6 = new A[10];
//free(p5);
//delete[] p6;

return 0;
}

在这里插入图片描述

4.3 总结:它们的区别

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释放

5.补充

5.1 难道new[]必须和delete[]搭配使用吗?

在这里插入图片描述
看这张图片,我们new了一个数组,却是用delete并不是delete[],也没有报错,是因为delete本质上其实就是free,在以前我们malloc开辟数组的时候,也只需要free他的首地址就可以了,这里是一样的道理,但是我们推荐写delete[],这样浅显易懂,知道我们开辟的是数组。

在这里插入图片描述
看,上面就报错了。

Q:我们可以发现一件事情,为什么程序在执行完第一个析构函数后就崩溃了呢?
A:这里就不得不提一下new[]的原理了,其实,使用new[],系统用会帮助我们再开辟四个字节的地址,放在指针p的前面,他主要的作用就是记录我们开辟了多少了自定义类型A,目的是为了之后析构,不然他不知道析构多少次,这也就是为什么在第一个析构函数制之后崩溃,就是因为程序不知道要析构几次。所以这里就必须要写上delele[],就是记录了开辟多少个自定义类型A。

5.2 operator new与operator delete函数

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。
这里有一段他们底层的代码,我们就不看了,我们直接记下结论:
operator new 实际也是通过malloc来申请空间,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应对措施,如果用户提供该措施就继续申请,否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

5.3 new和delete的实现原理

5.3.1 内置类型

如果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/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在申请空间失败时会抛异常,malloc会返回NULL。

5.3.2 自定义类型

  • new原理
  1. 调用operator new函数申请空间
  2. 在申请的空间上执行构造函数,完成对象的构造
  • delete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 A[N]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. 在申请的空间上执行N次构造函数
  • 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

5.4 定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
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
使用场景:
定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化,所以如果是自定义类型的对象,需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

示例:

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));
new(p1)A;// 注意:如果A类的构造函数有参数时,此处需要传参
//p1->A(); // 不支持
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);

return 0;
}

原文地址:https://blog.csdn.net/qq_59702185/article/details/144222099

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