C++ Section4 内存管理

Posted on | In |

new与malloc的区别，delet和free的区别及其内部实现

new 与 malloc的区别：

  1. new 是运算符，malloc是库函数
  2. new会调用构造函数，malloc只申请内存
  3. new返回指定类型的指针，malloc返回void指针
  4. new自动计算所需的内存大小，malloc需要手动设置空间
  5. new可以被重载

内部实现：

delete 和 free 的区别：

  1. delete 是运算符，free是库函数
  2. delete会调用析构函数，free是会释放内存
  3. 使用free之前要检查指针是否为空指针，delete不需要，对空指针delete没有问题
  4. free 和 delete 不能混用，也就是说new 分配的内存空间最好不要使用使用free 来释放，malloc 分配的空间也不要使用 delete来释放

内部实现：

malloc, calloc, realloc, 和 alloca 申请内存的区别

  1. calloc 是申请N个大小为S的空间，且会初始化空间值为0；malloc不会初始化，是随机的垃圾数据（在VS Debug模式下，会是0xcccccc这种特殊值，为了调试方便）
  2. malloc 是在堆上申请大小为S的一个空间，但不会初始化
  3. realloc 是将原本分配的内存扩充到新的大小，要求新的大小必须大于原大小
  4. alloca 是在栈上申请空间，不需要（不能）使用free，运行到作用域以外的时候释放申请的空间

C++内存模型（堆、栈、静态区）

堆 heap ：
由new分配的内存块，其释放编译器不去管，由我们程序自己控制（一个new对应一个delete）。如果程序员没有释放掉，在程序结束时OS会自动回收。涉及的问题：“缓冲区溢出”、“内存泄露”

栈 stack ：
是那些编译器在需要时分配，在不需要时自动清除的存储区。存放局部变量、函数参数。存放在栈中的数据只在当前函数及下一层函数中有效，一旦函数返回了，这些数据也就自动释放了。函数栈内的变量地址总是连续的，从高地址向低地址生长。

全局/静态存储区 （.bss段和.data段） ：
全局和静态变量被分配到同一块内存中。在C语言中，未初始化的静态变量放在.bss段中，初始化的放在.data段中；在C++里则不区分了。

常量存储区 （.rodata段） ：
存放常量，不允许修改（通过非正当手段也可以修改）

代码区 （.text段） ：
存放代码（如函数），不允许修改（类似常量存储区），但可以执行（不同于常量存储区）
根据c/c++对象生命周期不同，c/c++的内存模型有三种不同的内存区域，即

自由存储区（栈区）：局部非静态变量的存储区域，即平常所说的栈
动态存储区（堆区）： 用operator new ，malloc分配的内存，即平常所说的堆
静态存储区：全局变量 静态变量 字符串常量存在位置

注意：
栈区变量要注意析构函数的调用次序，由于是先进后出，则先创建的对象，最后被析构。

堆与栈的区别

  1. 堆是先进先出，栈是先进后出。
  2. 栈的大小固定，受限于系统中有效的虚拟内存，可能会发生栈溢出；堆可以动态生长
  3. 栈的空间有系统释放，堆内存由程序员释放
  4. 堆容易产生碎片
  5. 申请方式上，栈是系统自动分配，堆是由程序员申请

如何实现只能动态分配类对象，不能定义类对象

即只能将对象创建于堆上，不能创建于栈上。需要把构造函数和析构函数设为protected，派生类可以访问，外部无法访问。同时创建create和destroy函数,在内部调用构造和析构，用于创建和删除对象。其中create设为static，使用类名访问。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
class A {
protected:
 	A(){};
 	~A(){};
public:
 	static A* creat(){
 		return new A();
 	}
 	void destroy(){
 		delete this;
 	}
};
int main() {
 	A* a = A::creat();
	a->destroy();
}

如何实现只能在栈上创建对象, 不能在堆上创建对像

在堆上创建对象的唯一方法是使用new关键字，所以，只需要禁用new关键字就可以了。将operator new 设为私有的, 外部不可访问。

1
2
3
4
5
6
7
8
class A {
private:
	void* operator new(size_t t){}     // 注意函数的第一个参数和返回值都是固定的
 	void operator delete(void* ptr){} // 重载了new就需要重载delete
public:
 	A(){}
 	~A(){}
};

析构函数什么时候声明为私有？什么时候不能声明为私有？

私有析构函数可以使得对象只在堆上构造。在栈上创建的对象要求构造函数和析构函数必须都是公有的，否则编译器报错“析构函数不可访问”；而堆对象由程序员创建和删除，可以把析构函数声明为私有的。由于delete会调用析构函数，而私有的析构无法被访问，编译器报错，此时通过增加一个destroy()方法，在方法内调用析构函数来释放对象:

1
2
3
void destroy() {
	delete this; 
}

析构函数不能声明为私有的情况：基类的析构函数不能声明为私有，因为要在派生类的析构函数中被隐式调用。

构造函数什么时候声明为私有？什么时候不能声明为私有？

单例模式时构造函数声明为私有。

基类的构造函数不能声明为私有，因为要在派生类的构造函数中被隐式调用。如果在派生类的构造函数中没有显式调用基类的构造，则会调用基类的默认构造函数。