【C++】内存管理

目录

一、C/C++的内存分布

二、C++的内存管理方式

1.C语言的内存管理方式

2.操作内置类型

3.操作自定义类型

三、operator new 与 operator delete

四、new和delete的实现原理

1.内置类型

2.自定义类型

---

一、C/C++的内存分布

C和C++的内存分布包括以下几个主要部分：

1. 代码段（Code Segment）：

   • 存储程序的机器指令，也就是编译后的可执行代码。
   • 通常是只读的，以防止程序在运行时意外修改自身的指令。

2. 数据段（Data Segment）：

   • 包含两个部分：初始化的数据和未初始化的数据。
   • 初始化的数据包括全局变量和静态变量，它们在程序开始时被初始化。
   • 未初始化的数据（BSS段）包括全局变量和静态变量，它们在程序开始时不会被初始化，而是被设为默认值（通常为0）。

3. 堆（Heap）：

   • 动态分配的内存空间，由程序员手动管理（通过malloc、free、new、delete等）。
   • 在堆上分配的内存需要手动释放，否则可能导致内存泄漏。

4. 栈（Stack）：

   • 存储函数的局部变量、函数参数、返回地址等信息。
   • 栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，通过栈指针（stack pointer）来管理。

5. 全局/静态存储区（Global/Static Storage）：

   • 存储全局变量和静态变量。
   • 这部分内存在程序的整个生命周期中都存在。

6. 常量存储区（Constant Storage）：

   • 存储常量字符串等不可修改的数据。
   • 这部分内存通常是只读的。

二、C++的内存管理方式

1.C语言的内存管理方式

malloc() - 分配内存：

• void *malloc(size_t size);
• 用于在堆上动态分配指定字节数的内存空间。
• 返回一个指向分配内存的指针，如果分配失败则返回NULL。

• calloc() - 分配并清零：

calloc() - 分配并清零：

• void *calloc(size_t num_elements, size_t element_size);
• 用于在堆上分配一块指定数量和大小的内存，并将所有位初始化为零。
• 返回一个指向分配内存的指针，如果分配失败则返回NULL。

realloc() - 重新分配内存：

• void *realloc(void *ptr, size_t new_size);
• 用于更改之前分配的内存块的大小。
• 如果成功，返回一个指向重新分配内存的指针；如果失败，返回NULL。
• 可以用于调整数组大小。

free() - 释放内存：

• void free(void *ptr);
• 用于释放之前由malloc、calloc或realloc分配的内存。
• 一旦释放内存，就应该避免再使用指向该内存的指针，否则可能导致未定义行为。

2.操作内置类型

????????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。

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
  int* ptr6 = new int[3];
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

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[]，一定要匹配使用。

3.操作自定义类型

????????new/delete 和 malloc/free 的最大区别是 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。

来看下面这段代码：

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));
	A* p2 = new A;
	
	//free(p1);
	delete p2;

	return 0;
}

????????当注释p2时，运行代码无显式打印，当注释p1时，显式打印：

? ? ? ? 说明使用new/delete方法对自定义类型开辟空间时，会调用构造函数与析构函数。而malloc/free不会。

三、operator new 与 operator delete

• operator new?函数

void* operator new(std::size_t size);

operator new?用于动态分配?size?字节的内存。它返回一个指向分配内存的指针。通常，可以重载这个函数来提供自定义的内存分配行为。

#include <iostream>

void* operator new(std::size_t size) {
    std::cout << "Custom operator new, size = " << size << std::endl;
    return malloc(size); // 或者调用其他分配内存的方法
}

• operator delete 函数

void operator delete(void* ptr) noexcept;

operator delete 用于释放先前由 operator new 分配的内存。它接受一个指向要释放内存的指针作为参数。通常，你可以重载这个函数来提供自定义的内存释放行为。

#include <iostream>

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    std::cout << "Custom operator delete" << std::endl;
    free(ptr); // 或者调用其他释放内存的方法
}

• operator new[] 和 operator delete[]?

对于数组的动态内存分配和释放，还有对应的 operator new[] 和 operator delete[]：

void* operator new[](std::size_t size);
void operator delete[](void* ptr) noexcept;

这两个函数类似于 operator new 和 operator delete，但专门用于数组的动态内存管理。同样，你可以重载它们以提供自定义的行为。

#include <iostream>

void* operator new[](std::size_t size) {
    std::cout << "Custom operator new[], size = " << size << std::endl;
    return malloc(size); // 或者调用其他分配内存的方法
}

void operator delete[](void* ptr) noexcept {
    std::cout << "Custom operator delete[]" << std::endl;
    free(ptr); // 或者调用其他释放内存的方法
}

注意事项：

• 在重载这些运算符时，确保遵循内存管理的规则，例如，返回的指针应该指向已分配内存的起始位置。
• operator new 和 operator delete 不仅可以全局重载，还可以作为类的成员函数进行重载，实现类特定的内存分配和释放策略。

四、new和delete的实现原理

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。

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