内存管理
2311 字
12 分钟
内存管理
c/cpp程序内存区域划分
- 栈（Stack）
- 存储非静态局部变量、函数参数、返回值
- 向下增长（从高地址向低地址）
- 自动分配和释放
- 堆（Heap）
- 动态内存分配区域
- 向上增长（从低地址向高地址）
- 手动管理（malloc/free, new/delete）
- 数据段/静态区
- 存储全局变量和静态变量
- 程序开始时分配，结束时释放
- 代码段/常量区
- 存储可执行代码和字符串常量
- 只读区域
- 内存映射段
- 文件映射、动态库、匿名映射
- 进程间通信
练习
int globalVar = 1; // 数据段static int staticGlobalVar = 1; // 数据段
void Test() { static int staticVar = 1; // 数据段 int localVar = 1; // 栈 int num1[10] = {1,2,3,4}; // 栈 char char2[] = "abcd"; // 栈 const char* pChar3 = "abcd"; // 指针在栈，字符串在代码段 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int)*4); // 指针在栈，指向堆 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 指针在栈，指向堆 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int)*4); // 指针在栈，指向堆
free(ptr1); free(ptr3);}选择题：根据下面的选项，选择每个变量所在的区域：A.栈 B.堆 C.数据段（静态区） D.代码段（常量区）
- `globalVar`在哪里？__ -> C（数据段）
- `staticGlobalVar`在哪里？__ -> C（数据段）
- `staticVar`在哪里？__ -> C（数据段）
- `localVar`在哪里？__ -> A（栈）
- `num1`在哪里？__ -> A（栈）
- `char2`在哪里？__ -> A（栈）
- `*char2`在哪里？__ -> A（栈） // 注意：char2是一个数组，数组在栈上，所以数组元素也在栈上
- `pChar3`在哪里？__ -> A（栈）
- `*pChar3`在哪里？__ -> D（代码段/常量区） // pChar3指向一个字符串常量，字符串常量在代码段/常量区
- `ptr1`在哪里？__ -> A（栈）
- `*ptr1`在哪里？__ -> B（堆）C语言中动态内存管理方式malloc/calloc/realloc/free
void Test() { int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)*4); // 分配未初始化的内存 int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 分配并初始化为0 int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10); // 调整内存大小
// 不需要free(p2)，因为realloc已经处理 free(p1); free(p3);}malloc/calloc/realloc的区别？
- malloc：申请指定字节数的内存，不初始化。- calloc：为指定数量的元素分配内存，每个元素的大小为指定字节数，并将内存初始化为0。- realloc：调整已分配内存块的大小，可以扩大或缩小。扩大时，原内容保留，新增部分不初始化；缩小时，截断部分内容。可能移动内存块到新的位置| 函数 | 初始化 | 参数 | 功能 |
|---|---|---|---|
| malloc | 不初始化 | size | 分配指定字节数的内存 |
| calloc | 初始化为0 | num, size | 分配num个size字节的元素 |
| realloc | 保持原内容 | ptr, new_size | 调整已分配内存的大小 |
malloc的实现原理？glibc中malloc实现原理
- malloc的实现原理通常涉及内存池管理，使用空闲链表（free list）来管理已释放的内存块，并通过brk或mmap系统调用向操作系统申请内存。glibc的malloc使用ptmalloc2实现，它通过维护多个内存块（chunk）和多个链表来管理内存，包括未分配的内存和已分配的内存，并尝试减少内存碎片。c++内存管理方式 new和delete
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[]，注意匹配起来使用。new和delete操作自定义类型
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;}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。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 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的实现#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
// operator new 的简化实现void* operator new(size_t size) { void* p; while ((p = malloc(size)) == 0) { // 尝试处理内存不足的情况 if (处理函数 == 0) { // 抛出bad_alloc异常 throw std::bad_alloc(); } } return p;}
// operator delete 的简化实现void operator delete(void* p) { free(p);}通过上述两个全局函数的实现知道，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。
new和delete的实现原理
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。
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
定位new表达式（placement-new）
new (place_address) type;new (place_address) type(initializer-list);其中，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的定位表达式进行显示调构造函数进行初始化。
class A{public: A(int a = 0) : _a(a) { cout << "A():" << this << endl; } ~A() { cout << "~A():" << this << endl; }private: int _a;};
// 定位new/replacement newint 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;}malloc/free 和 new/delete 的区别
| 特性 | malloc/free | new/delete |
|---|---|---|
| 性质 | 函数 | 操作符 |
| 初始化 | 不初始化 | 可以初始化 |
| 空间计算 | 手动计算字节数 | 自动计算类型大小 |
| 返回值 | void* 需要强转 | 返回具体类型指针 |
| 失败处理 | 返回NULL | 抛出异常 |
| 自定义类型 | 不调用构造/析构 | 调用构造/析构 |
| 重载 | 不可重载 | 可重载operator new/delete |
| 内存来源 | 堆 | 可自定义（placement-new |
| 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： |
- 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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