C++中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的示例分析

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1.C/C++程序地址空間

計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的大小是固定的，在32位系統(tǒng)上，地址空間可達(dá)4G（2^32），這4G按照3:1的比例分配給用戶(hù)進(jìn)程和內(nèi)核。程序地址空間的構(gòu)成：從上往下依次是：內(nèi)核空間、棧區(qū)、共享區(qū)、堆區(qū)、未初始化數(shù)據(jù)區(qū)、初始化數(shù)據(jù)區(qū)、代碼區(qū)。而動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理所申請(qǐng)的空間都是在堆區(qū)，在堆區(qū)動(dòng)態(tài)開(kāi)辟的空間都需要我們手動(dòng)去釋放它，否則會(huì)造成內(nèi)存泄漏。

內(nèi)核空間：操作系統(tǒng)相關(guān)代碼

棧區(qū)：從高地址向低地址增長(zhǎng)

共享區(qū)：加載動(dòng)態(tài)庫(kù)，共享內(nèi)存

堆區(qū)：從低地址向高地址增長(zhǎng)

未初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)

已初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)

代碼區(qū)：可執(zhí)行代碼及只讀常量

2.C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

(1)malloc

void* malloc(size_t size);

malloc()函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，即要分配的內(nèi)存空間的大小。

如果開(kāi)辟成功，則返回一個(gè)指向開(kāi)辟好空間的指針，如果開(kāi)辟失敗，則返回一個(gè)空指針，因此每次申請(qǐng)完空間都需要判空。
malloc()函數(shù)返回值的類(lèi)型是void*，在使用時(shí)需要自己強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。

(2)calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc()函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)，分別是元素的數(shù)目和每個(gè)元素的大小，這兩個(gè)參數(shù)的乘積就是要分配的內(nèi)存空間的大小。
malloc申請(qǐng)后空間的值是隨機(jī)的，并沒(méi)有進(jìn)行初始化，而calloc在申請(qǐng)后，對(duì)空間逐一進(jìn)行初始化，并設(shè)置值為0;
calloc由于給每一個(gè)空間都要初始化，所以效率必然比malloc低。

(3)realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size);

realloc()函數(shù)就實(shí)現(xiàn)對(duì) 動(dòng)態(tài)開(kāi)辟 內(nèi)存大小的調(diào)整。

realloc()函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)，分別是要調(diào)整的內(nèi)存地址和調(diào)整的新大小。

realloc在調(diào)整內(nèi)存空間時(shí)有兩種情況：

情況1：原有空間之后有足夠大的空間，我們就把需要擴(kuò)展的內(nèi)存直接放到原來(lái)空間的后面，原來(lái)空間的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化。

情況2：原有空間之后沒(méi)有足夠大的空間，那就在堆上找一個(gè)合適大小的連續(xù)空間，將原來(lái)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到新空間，然后將這個(gè)新空間的地址返回。

(4)free

void* free(void* ptr);

free函數(shù)用來(lái)釋放動(dòng)態(tài)開(kāi)辟的函數(shù)。

3.C++動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

(1)C++為什么要設(shè)計(jì)一套自己專(zhuān)屬的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式?

C++作為一門(mén)在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的語(yǔ)言，它本身是完全兼容C語(yǔ)言的，也就是說(shuō)，C語(yǔ)言的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式在C++中依舊可以正常使用。那它為什么還要設(shè)計(jì)一套屬于自己的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式呢？

在C++中，使用malloc/free申請(qǐng)或釋放內(nèi)置類(lèi)型的空間并沒(méi)有任何問(wèn)題，但我們知道C++引入了類(lèi)和對(duì)象的概念，而這一點(diǎn)帶來(lái)的影響就是并不能使用malloc從堆上為對(duì)象申請(qǐng)空間，因?yàn)閙alloc并不會(huì)去主動(dòng)的去調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，這意味著其并不能成為真正的對(duì)象。所以如果使用malloc只是申請(qǐng)了一段和對(duì)象同樣大小的空間而言，并非對(duì)象。同理使用free并不能釋放堆上對(duì)象的空間，因?yàn)閒ree并不會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)去釋放對(duì)象中的資源。

而且C++所提供的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式使用起來(lái)更加方便、簡(jiǎn)單，對(duì)用戶(hù)更加友好，并且不用去擔(dān)心空間可能會(huì)申請(qǐng)失敗的情況。

(2)new/delete定義

new操作符的格式：

new 類(lèi)型;
new 類(lèi)型(初值);
new 類(lèi)型[];

delete操作符的格式：

delete 指針變量；
delete[] 指針變量；

1)new/delete操作內(nèi)置類(lèi)型

int main(){
	int *p1 = new int; //動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類(lèi)型的空間
	int *p2 = new int(10);  //動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)int類(lèi)型的空間并初始化為10
	int *p3 = new int[3];  //動(dòng)態(tài)申請(qǐng)10個(gè)int類(lèi)型的空間
	//釋放申請(qǐng)的空間
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	return 0；
}

2)new/delete操作自定義類(lèi)型

//定義一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)
class Data{
public:
	//構(gòu)造函數(shù)
	Data(int data = 0) : _data(data)
	{
		cout << "Data() :" << this << endl;
	}
	//析構(gòu)函數(shù)
	~Data()
	{
		cout << "~Data() : " << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};
int main()
{
	Data *d1 = new Data;  //申請(qǐng)單個(gè)Data類(lèi)型的對(duì)象
	Data *d2 = new Data(10);  //申請(qǐng)單個(gè)Data類(lèi)型的對(duì)象并初始化
	Data *d3 = new Data[5];  //申請(qǐng)5個(gè)Data類(lèi)型的對(duì)象
	//依次釋放申請(qǐng)的對(duì)象資源
	delete d1;
	delete d2;
	delete[] d3;
	//使用new/delete為類(lèi)對(duì)象申請(qǐng)或釋放空間時(shí)會(huì)主動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)/析構(gòu)函數(shù)完成對(duì)象的構(gòu)造/資源的清理。
	return 0;
}

(3)new/delete的實(shí)現(xiàn)原理

new 和 delete在堆上申請(qǐng)和釋放空間的時(shí)候，在底層實(shí)際上調(diào)用的是operator new和operator delete兩個(gè)全局函數(shù)。

而operator new和operator delete最終還是調(diào)用malloc和free來(lái)申請(qǐng)和釋放空間。

1)new/delete內(nèi)置類(lèi)型的原理

如果申請(qǐng)的是內(nèi)置類(lèi)型的空間，new和malloc，delete和free基本類(lèi)似，不同的地方是：new/delete申請(qǐng)和釋放的是單個(gè)元素的空間，new[]和delete[]申請(qǐng)的是連續(xù)空間，而且new在申請(qǐng)空間失敗時(shí)會(huì)拋異常，malloc會(huì)返回NULL。也就是說(shuō)使用new操作符不需要進(jìn)行判空。

2)new/delete自定義類(lèi)型的原理

new的原理

1.調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間

2.在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的構(gòu)造

delete的原理

1.在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象中資源的清理工作

2.調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對(duì)象的空間

new[]的原理

1.調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中實(shí)際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的申請(qǐng)

2.在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)

delete[]的原理
1.在釋放的對(duì)象空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個(gè)對(duì)象中資源的清理

2.調(diào)用operator delete[]釋放空間，在operator delete[]中實(shí)際調(diào)用operator delete來(lái)釋放空間

4.malloc/free和new/delete的區(qū)別

共同點(diǎn)：

都是從堆上申請(qǐng)空間，并且需要用戶(hù)手動(dòng)釋放。

不同點(diǎn)：

1.malloc和free是函數(shù)，new和delete是C++中的操作符

2.malloc申請(qǐng)的空間不會(huì)初始化，new可以初始化

3.malloc申請(qǐng)空間時(shí)，需要手動(dòng)計(jì)算空間大小并傳遞，new只需在其后跟上類(lèi)型即可

4.malloc的返回值為void * , 在使用時(shí)必須強(qiáng)轉(zhuǎn)，new不需要，因?yàn)閚ew后跟的是空間的類(lèi)型

5.malloc申請(qǐng)空間失敗時(shí)，返回的是NULL，因此使用時(shí)必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常

6.申請(qǐng)自定義類(lèi)型對(duì)象時(shí)，malloc/free只會(huì)開(kāi)辟空間，不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)，而new在申請(qǐng)空間后會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對(duì)象的初始化，delete在釋放空間前會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理

5.內(nèi)存泄漏

內(nèi)存泄漏是指你向系統(tǒng)申請(qǐng)分配內(nèi)存進(jìn)行使用（new/malloc），然后系統(tǒng)在堆內(nèi)存中給這個(gè)對(duì)象申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間，但當(dāng)我們使用完了卻沒(méi)有歸還給系統(tǒng)（delete），導(dǎo)致這個(gè)不使用的對(duì)象一直占據(jù)內(nèi)存單元，造成系統(tǒng)將不能再把它分配給需要的程序。
一次內(nèi)存泄漏的危害可以忽略不計(jì)，但是內(nèi)存泄漏堆積則后果很?chē)?yán)重，無(wú)論多少內(nèi)存，遲早會(huì)被占完，造成內(nèi)存泄漏。

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