【C++】内存管理
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三、operator new 与 operator delete
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:
-
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。
-
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)。
-
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。
- 动态分配的内存空间,由程序员手动管理(通过
-
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。
-
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。
-
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
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