C/C++内存分布
🌎首先我们来看一看以下代码中变量在内存中的存储位置。
c/c++内存分配图：
1.栈又叫做堆栈，存储非静态局部变量/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内存，做进程间通信。
3.堆用于程序运行时动态内存分配，堆上可以向上增长的。
4.数据段 - 用于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语言中的动态内存管理
malloc/calloc/realloc/free
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int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
free(p1);
free(p2);
free(p3);
return 0;
}
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malloc/calloc/realloc的区别？
malloc - 堆上动态开辟空间
realloc - 堆上动态开辟空间 + 初始化为0 （相当于malloc + memset）
calloc - 针对已经有的空间进行扩容 （原地扩容或异地扩容）
C++的内存管理
🚀C语言的内存管理方式在c++中可以继续使用，但是有些地方使用起来就比较麻烦了。因此c++提供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和delete是运算符，不是函数，因此执行效率高。
new和delete操作内置类型：:
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int main()
{
// new/delete和malloc/free 针对内置类型没有任何差别，只是用法不同
//动态申请一个int类型的空间
int* p1 = new int;
delete p1;
//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p2 = new int(10);
delete p2;
//动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[10];
delete[] p3;
return 0;
}
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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[]。
new和delete操作自定义类型：:
注意： 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和free不会。
🌏对于以上总结一下：
1.c++中如果是申请内置类型对象或者数组，malloc和new没有什么区别。
2.如果是自定义类型，那么区别很大，new和delete是开空间 + 初始化，析构清理 + 释放空间，malloc和free仅仅是开空间 + 释放空间。
3.建议在c++中，无论是自定义类型还是内置类型的申请和释放，尽量使用new和delete。
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在底层提供operator delete全局函数来释放空间。
如下是c++官方对于这两个函数的描述：
operator new和operator delete的实现代码：
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/*
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)
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通过上诉两个全局函数的实现代码可以看出，operator new实际上是通过malloc来申请空间的，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的应对,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。
operator new的使用案例：
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struct ListNode
{
ListNode(int data = 0)
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(data)
{}
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _data;
};
//operator new的用法跟malloc和free是一样的，都是在堆上申请空间
//只是申请空间失败后的处理方式不一样，malloc失败返回NULL,operator new失败以后抛异常
int main()
{
//C语言
ListNode* p1 = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
free(p1);
//c++
ListNode* p2 = (ListNode*)operator new(sizeof(ListNode));
operator delete(p2);
int* p3 = (int*)malloc(100000000000000000);
if (p3 == NULL)
{
cout << "malloc fail" << endl;
}
try
{
int* p4 = (int*)operator new(100000000000000000);
}
//开辟空间失败，捕获异常信息
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
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operator delete的使用案例：
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class A
{
public:
A(int a = 0)
{
cout << "A()" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//c语言 -> A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
//等价于直接用 A* p = new A;
A* p = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p)A; // new(p)A(2); 定位new，placement-new,显示调用构造函数初始化这块空间对象
//等价于 delete p
p->~A(); //析构函数可以显示调用
operator delete(p);
return 0;
}
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operator new与operator delete的类专属重载
内存池：内存池的主要作用是提高效率。通过一次性申请比较大的空间，来避免小空间内存的频繁申请和释放，每次需要为对象分配内存空间时，在已经申请好的大的空间内分配。空闲区被按照对象大小划分为若干块，每个块之间通过链表连接起来。
☑️以下代码演示了，针对链表的节点ListNode通过重载类专属 operator new / operator delete ，实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。
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struct ListNode
{
void* operator new(size_t n)
{
void* p = nullptr;
p = allocator<ListNode>().allocate(1);
cout << "memory pool allocate" << endl;
return p;
}
void operator delete(void* p)
{
allocator<ListNode>().deallocate((ListNode*)p, 1);
cout << "memory pool deallocate" << endl;
}
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _data;
};
class List
{
public:
List()
{
_head = new ListNode();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
~List()
{
ListNode* cur = _head->_next;
while (cur != _head)
{
ListNode* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
delete _head;
_head = nullptr;
}
private:
ListNode* _head;
};
int main()
{
List h;
return 0;
}
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new和delete的实现原理
内置类型：
若申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本相似。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在空间申请失败时会抛异常，malloc申请空间失败则返回NULL。
自定义类型：
new:
- 调用operator new函数申请空间。
- 在申请的空间调用构造函数，完成对象的构造。
delete:
- 在空间上调用析构函数，完成对象中资源清理的工作。
- 调用operator delete函数释放对象的空间。
new arr[N]:
- 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。
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