【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!

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C/C++内存分布

我们先来通过下面代码来解答一些问题>

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. 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?____   staticGlobalVar在哪里?____
staticVar在哪里?____   localVar在哪里?____
num1 在哪里?____

char2在哪里?____ * char2在哪里?___    
pChar3在哪里?____ * pChar3在哪里?____
ptr1在哪里?____ * ptr1在哪里?____
2. 填空题:
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;

这里我们补充一些内存中数据存放的位置的知识点>
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先来看第一题>
globalVar是定义在全局的变量所以他的作用域是全局的,全局变量和static修饰的变量都放在静态区;
staticGlobalVal是通过static修饰的静态变量,所以他也是存在静态区的;
staticVar虽然是局部的变量,但他用static修饰成为了静态变量,所以他也存储在静态区;
localVar是局部变量没有用static修饰,他是由main函数创建的栈帧中的变量,所以他是存储在栈区;
num1是数组名表示数组首元素的地址,同样也是存储在main函数的栈帧中;
所以第一部分应该选:C C C A A
我们再来看第二部分>
char2是数组名表示首元素的地址,字符数组"abcd"存储在常量区,但是函数栈帧中将常量区的"abcd"拷贝了一份赋给char2,所以char2是存储在栈区;
*char2对char2进行解引用解引用的内容是从静态区拷贝过来存放在栈区的"abcd"中的首字符’a‘ ,所以*char2也是存储在栈区中;
pChar3是一个被const修饰的指针变量,指针变量是main函数栈帧创建的,所以是存储在栈区的;
*pChar3 是对pChar3所指向内容的解引用,pChar3指向的静态区的“abcd”,所以 *pChar3是存储在静态区的;
ptr1也是指针变量,所以也存储在栈区;
*ptr1是对ptr1进行解引用,ptr1指向的是malloc的一块空间是属于堆区上的,所以 *ptr1是存储在堆区;
所以第二部分应该选:A A A C A B
再来看第二题>
sizeof(num1):num1数组名,对数组名求大小是算的整个数组的大小,所以是10 *4=10;
sizeof(char2):char2是数组名,求出来是1 * 5=5;
strlen(char2):strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’,所以大小为4;
sizeof(pChar3):pChar3是指针变量,指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节,所以结果为:4/8;
strlen(pChar3):strlen计算字符串长度自动屏蔽‘\0’,所以大小为4;
sizeof(prt1):ptr1是指针变量,指针变量在32位平台下是4字节在64位平台下是8字节,所以结果为:4/8;
所以最终答案:10 、4、 4/8、 4、 4/8
我们画图来理解具体的存储位置>
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【说明】

  1. 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.
  3. 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。

C语言中动态内存管理的方式

这里可以看C语言进阶中的内存管理>
传送门(C语言动态内存管理)

C++动态内存管理

C语言内存管理的方式在C++中可以继续使用,但有些地方还有不足,而且使用起来比较麻烦,因此C++中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。

new/delete操作内置类型

我们对比C语言中的malloc来学习C++中的new>

int main()
{
	//c
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	free(p1);

	//cpp
	int* p1 = new int;
	delete p1;

	//c
	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(p2);

	//cpp

	int* p2 = new int[10];
	delete[] p2;

	return 0;
}

我们可以看到使用new的会比malloc简洁一点。
再来看>

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3个int类型的空间,并初始化为1,2,3
	int* ptr6 = new int[3]{1,2,3};

	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

我们来调试看>
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可以看到ptr5和ptr6都被初始化了。
【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!
【注意】:申请和释放的单个元素的空间,使用new和delete操作符,申请和释放连续的空间,使用new[]和delete[],必须匹配使用。

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;
}

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可以看到当我们new一个对象的时候会自动调用构造函数,delete的时候会自动调用析构函数,而malloc和free不会调用。

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。


/*
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)

free其实是一个宏函数,new申请空间失败了会抛异常,而malloc申请失败会返回NULL,new底层也是通过malloc来申请内存的。
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
我们用new来申请1024*1024个int大小的内存>
【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!

int main()
{
	int* p1 = nullptr;
	do
	{
		p1 = new int[1024 * 1024];
		cout << p1 << endl;
	} while (p1);

	return 0;
}

我们来进行调试>
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通过调试可以看到new申请空间失败确实是抛出异常。
我们再来通过汇编代码来观察调用new和delete的具体方式>

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*)operator new(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1);
    operator delete(p1);
    delete p2;
    return 0;
}

我们调试进入反汇编>
【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!
可以看到new执行调用了两个函数一个是operator new函数和构造函数
再来看delete>
【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!
delete 是先调用析构函数再调用operaator delete函数来进行空间的释放。

new和delete的实现原理

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。

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

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。
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 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));
    //显示调用构造函数
    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;
}

【C++】C/C++内存管理,从底层汇编带你理解new和delete!
这里可以看到定位new对一块申请的空间进行了显示调用构造函数。

常见面试题

malloc/free和new/delete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
  5. 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

🍀小结🍀

今天我们认识了new和delete的用法相信大家看完有一定的收获。
种一棵树的最好时间是十年前,其次是现在! 把握好当下,合理利用时间努力奋斗,相信大家一定会实现自己的目标!加油!创作不易,辛苦各位小伙伴们动动小手,三连一波💕💕~~~,本文中也有不足之处,欢迎各位随时私信点评指正!
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