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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?CstaticGlobalVar在哪里?CstaticVar在哪里?ClocalVar在哪里?Anum1 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

#include

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:

功能:动态分配指定字节数的内存。特点:不会初始化分配的内存,内容随机。语法:void* malloc(size_t size);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:

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。特点:不仅分配内存,还会清零初始化。语法:void* calloc(size_t num, size_t size);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:

功能:调整已分配内存块的大小,可以扩大或缩小。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。语法:void* realloc(void* ptr, size_t new_size);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

调用operator new函数申请空间在申请的空间上执行构造函数,完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数,完成对象中资源的清理工作调用operator delete函数释放对象的空间

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

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:

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

// 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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