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C/C++之内存旋律：星辰大海的指挥家

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系列专栏：〖C/C++小游戏〗〖Linux〗〖数据结构〗 〖C语言〗

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一、C/C++内存分布

我们先来了解一下C/C++内存分配的几个区域，以下面的代码为例来看：

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);
}

1.1 内存划分

 1、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

char2在哪里？A

  • 字符串在常量区，char2会栈上开辟一个数组，然后将常量区的字符串拷贝过到栈上，所以char2是栈上的指针变量，上题的num1是直接在栈上开辟的。

*char2在哪里？A

  • char指向栈上开辟的数组的指针，*char解引用表示栈上开辟空间的内容

pChar3在哪里？A

  • const修饰的是代表常变量，不代表就在常量区，pChar3是栈上的一个指针变量，指向了常量区的字符串

*pChar3在哪里？D

  • pChar3指向了常量区的字符串，解引用就是常量区的字符串

ptr1在哪里？A

  • 也是栈上的一块指针变量

*ptr1在哪里？B

  • ptr1指向开辟在堆上的空间，解引用表示堆空间的内容

内存区域划分：

【说明】

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。(未学到linux仅作了解即可)

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。

2.1 sizeof 和 strlen 区别

在C/C++中：

sizeof：这是一个运算符，编译时确定，用于计算变量或类型的大小（以字节为单位），包括数组、指针、结构体等。对于字符数组或字符串，它返回整个数组（包括结束符 \0）的总字节数。

strlen：这是一个库函数，运行时确定，用于计算以 \0 结尾的字符串的实际字符数，不包括结束符 \0。因此，对于包含字符串的字符数组，strlen 返回的是字符串的有效字符数量。

总结：

sizeof 计算内存容量。
strlen 计算字符串长度。

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);
}
  • sizeof(num1) = 40;
  • sizeof(char2) = 5;
  • strlen(char2) = 4;
  • sizeof(pChar3) = 4/8;
  • strlen(pChar3) = 4;
  • sizeof(ptr1) = 4/8;

二、C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	// 这里需要free(p2)吗？
	//free(p2);
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	free(p3);
}
  • 为什么不需要free(p2)?

        因为p2申请了四个字节的空间，此基础上，如果free掉p2,那么p3申请空间的时候，p2指向那块空间已经属于操作系统了，这时候再操作就引发野指针异常

  •  malloc/calloc/realloc的区别？

malloc:

  1. 功能：动态分配指定字节数的内存。
  2. 特点：不会初始化分配的内存，内容随机。
  3. 语法：void* malloc(size_t size);
  4. 示例：int *p = (int*)malloc(sizeof(int)*n); 分配n个整数大小的连续内存空间。

calloc:

  1. 功能：动态分配指定数量、特定类型的内存空间，并初始化为0。
  2. 特点：不仅分配内存，还会清零初始化。
  3. 语法：void* calloc(size_t num, size_t size);
  4. 示例：int *p = (int*)calloc(n, sizeof(int)); 分配并初始化n个int大小的连续内存空间为0。

realloc:

  1. 功能：调整已分配内存块的大小，可以扩大或缩小。
  2. 特点：如果扩大内存，新增空间内容不确定；如果缩小内存，多余部分会被释放，缩小后的内存区域保持不变。
  3. 语法：void* realloc(void* ptr, size_t new_size);
  4. 示例：int *new_p = (int*)realloc(p, sizeof(int)*m); 尝试更改指针p指向的内存区域大小为m个整数所需空间，返回新的内存地址，有可能与原地址相同也可能不同。

总的来说：

malloc 用于单纯分配未初始化的内存。
calloc 用于分配并初始化为零的内存。
realloc 用于调整已分配内存区域的大小，提供了一种灵活的内存管理手段。

   

三、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

  •  malloc和new对于内置类型都只会申请空间但不会初始化 ,因为 new没有调构造函数

  • 同样对于delete和free来说，对于内置类型都只会释放对象的空间， delete不会调用析构函数

int main()
{
	// 管理对象
	// 动态开辟一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	// 动态开辟一个int类型的空间，并初始化为1
	int* p2 = new int(1);
 
	//管理对象数组
	// 动态开辟一个int类型的数组
	int* p3 = new int[10];
	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
	int* p4 = new int[10]{};// 不写初始化值，默认初始化为 0
	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3 };// 前三个分别初始化为1 2 3，后面默认初始化为 0
 
	//释放开辟的内存
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;// 对应释放数组加[]
	delete[] p4;
	delete[] p5;
 
	return 0;
}

 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[].      

3.2 new和delete操作自定义类型

new/delete 和 malloc/free 最大区别是：

  • new/delete  对于【自定义类型】除了 开空间 /释放空间 ，还会调用 构造函数和析构函数
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _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;
}

小结：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。

四、new和delete的实现原理
 

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，（new先开辟空间，再调用构造函数，delete先调用析构函数，再释放空间）。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。

4.1 operator new与operator delete函数

operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。

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
	        // 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
	        static const std::bad_alloc nomem;
	        _RAISE(nomem);
	    }
	return (p);
}
  • operator new对malloc 的封装，失败抛异常实现new

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

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 );
     __FINALLY
         _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
     __END_TRY_FINALLY
     return;
}
  • free本质是一个宏，也是调用_free_dbg这个函数，举例如下：
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

总结：

operator new是对malloc进行封装，operator delete是对free进行封装（类似对比：引用的底层原理也是指针实现的）。

4.2  new和delete原理总结

3.2.1 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
  • new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
3.2.2 自定义类型
  • new的原理
  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的原理
  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 T[N]的原理
  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

四、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：
  1. new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
  2. place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
// 定位new/replacement new
int main()
{
	// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	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();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

定位new是使用在一种特殊场景——内存池。

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式调构造函数进行初始化。

五、malloc/free和new/delete的区别

共同点：

  • 都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

  • malloc和free是函数，new和delete是操作符
  • malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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。

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