c++动态内存管理

一、内存的简要了解

说到内存,很多人应该都多多少少有点了解了,我们在这再稍微多说几句:

  一般我们可以把内存理解为三个部分:静态区,栈,堆。有些朋友搞不清到底什么是栈什么是堆,堆栈有多人会认为是堆和栈,两个放在一块。其实不然,其中我们口中讲的堆栈就是栈,而不是堆。堆的英文是heap ;栈的英文是stack(也翻译为堆栈)。

 

存储内容:

  静态区:保存自动全局变量和static变量(包括static全局和局部变量)。静态区的内容在整个程序的生命周期内都存在,有编译器在编译的时候分配(数据段(存储全局数据和静态数据)和代码段(可执行的代码/只读常量))。

  栈:保存局部变量。栈上的内容只在函数范围内存在,当函数运行结束的时候,这些内容也会自动销毁。其特点是效率高但是空间大小有限。

  堆:由malloc系列函数或者new操作符分配的内存。其生命周期由free和delete决定。在没有释放之前一直存在,直到函数结束。其特点是使用灵活,空间比较大,但容易出错。

 

  我们用一张图来简单看下:
 
  值得注意的一点是:代码段中存储的是可执行的代码和只读常量,很多人看到代码段就认为里面只有代码,数据段里面才是存储数据的,其实不是这样的。
 

二、malloc、calloc、realloc

三者的简单对比:

malloc   函数原型:(void*)malloc(unsigned size);(字节数)

malloc函数在内存中开辟的是一块连续的空间,size是所需要空间的长度,开辟的大小为size*参数类型,开辟完之后返回这块空间的首地址。

 

calloc    函数原型:void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElements);(元素的个数, 单个元素的字节数)

和malloc相似,它也是开辟一块连续的空间,空间的大小为:元素的个数*单个元素的字节数。

 

realloc     函数原型:void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);(地址,字节数)

给一个已经分配地址的指针重新分配空间,参数ptr为原有的空间指针,newsize为重新申请的地址长度。它与malloc的区别就是如果你给的指针是NULL,那么你使用的就是malloc,如果你给出的指针是一个已经分配了地址的指针(ptr),那么你使用的就是realloc。

 

区别:

(1)函数malloc不能初始化所分配的空间,而函数calloc能,也就是说,如果由malloc函数分配的空间原来没有被分配过,则其中每一位都可能是0;反之,如果这一块数据块原来被分配过,那里面可能遗留着各种各样的数据。所以,当你在使用malloc开辟一块新空间的时候,要重新初始化那一块空间(一般调用memset函数来初始化空间)。否则在多次释放、开辟之后,可能会出现使用错误。

(2)calloc函数会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为0(这也是它和malloc的主要不同处之一)。也就是说,如果你是为字符类或者整形类的元素分配空间,那么这些元素会保证被初始化为0;如果你是为指针类函数分配内存,那么这些元素都会被初始化为空指针。

(3)malloc向系统申请size个字节的空间,申请完之后返回的是这个空间的首地址,类型为void*,而void*表示未确定的类型,在c/c++中void*可以被强转成任意类型的指针。

(4)realloc可以对给定的指针所指向的空间进行扩大或者缩小,无论是扩大还是缩小,原有内存中的内容将保持不变(如果对于缩小之后的空间,被缩小的那部分空间内的数据还是会丢失)。realloc并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一个地址。相反,realloc指针很可能指向一个新的地址。

(5)realloc是从堆上分配空间的,但当你进行扩大的时候,realloc会试图从堆上现存的数据后面的那些字节中获取附加的字节,如果能满足,就刚好。但如果后面的字节数不够,其就会使用堆上第一个有足够大小的自由块,然后将现存的数据拷贝到新的位置,将老块放回到堆上。在这个过程中,数据会被移动。也就是说,当你使用realloc的时候,数据可能被移动。

 

三、有关malloc的一些扩展(选自《高质量c/c++编程指南(林锐)》)

malloc 

malloc的原型:(void*)malloc(int size)(int也可以是unsigned,int只是其中的一种特例)

  malloc函数的返回值是一个void类型的指针,参数为int类型数据,即申请分配的内存大小,单位是byte。内存分配成功之后,malloc函数返回这块内存的首地址。你需要一个指针来接受这个地址。但是由于函数的返回值是void*类型,所以必须强制转换成你所接收的类型。也就是说,这块内存将来要存储什么类型的数据。比如:

char* p = (char*)malloc(100);

在堆上面分配了100个字节内存,返回这块内存的首地址,把地址强制转换成char*类型后赋给char*类型 的指针变量p。同时告诉我们这块内存将来用来存储char*类型的数据。也就是说你只能通过指针变量p来操作这块内存。这块内存本身并没有名字,对它的访问是匿名访问。

 

内存释放

  有分配就一定有释放。malloc对应的就是free函数。free函数只有一个参数,就是要释放的内存块的首地址。比如:free(p);

free函数做的事情:斩断指针变量与这块内存的关系。就像上面的例子一样malloc函数开辟的这一个数据块空间是属于p的,你只能通过p来访问这一块数据块空间,而free函数做的事情就是斩断malloc和p之间的联系。但是p指针本身存放的地址并没有发生变化,只是它对指针所指向的那块内存已经没有所有权了,不能对内存块进行操作。而那块内存块里面的数据也没有被改变,只是你没有办法去访问或者修改那块数据快中的内容了。

  malloc和free是一一对应的,如果malloc两次但是只free一次就会存在内存泄漏,如果malloc一次但是free了两次,就会出错(第一次使用free的时候,malloc所开辟的空间就已经被释放,第二次使用free就无内存空间可以释放了,这种对内存的误操作就有可能会导致程序的崩溃)。

  

  函数的内存释放完后,一定要把p指针置为NULL。为什么?

  从上面可以看出,free掉之后p只是切断了和内存空间的关系,但是p指针本身内部依旧存在一个地址,如果不把它置成空,那这个指针就会变成一个野指针(悬垂指针),迟早会出事。

例子:
1 char* p = (char*)malloc(100);
2 strcpy(p, "hello");
3 free(p);//可以看到这边已经释放了p所指向的那一块空间,但是p本身存储的地址并没有改变
4 if(NULL != p)//判断不起作用,起不到防护作用
5 {
6      strcpy(p, "world");//p没有分配空间,出错。
7 }

 

四、new/delete

  前头讲了很多但好像还没有讲到c++的动态内存这方面。下面我们来进行一些讨论。

  我们知道c++是兼容c的,那我们明明已经有了malloc和free来进行动态内容的管理,为什么c++还要定义new和delete运算符来动态管理内存。

  来看一下它们之间的区别和联系:

  1.它们都是动态管理内存的入口。

  2.malloc/free是c/c++标准库的函数,new/delete是c++操作符。

  3.malloc/free只是动态分配/释放内存空间。而new/delete出来分配空间还会调用构造函数和析构函数进行初始化与清理。

  4.malloc/free需要手动计算类型大小且会返回void*, new/delete可以自己计算类型的大小,返回对应类型的指针。

  我们在c++中是允许进行重载的,那我们也可以重载一下new和delete,我在这就不做了(其实new和delete是不能重载的,即使你进行了重载,也只是重载了operator new和operator delete)。

  

有关operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]

总结:

  1.operator new/operator delete    operator new[]/operator delete[]的用法和malloc/free一样。

  2.它们只负责分配空间/释放空间,不会调用对象构造函数和析构函数来初始化/清理对象。

  3.实际operator new/operator delete  只是malloc和free的一层封装。

 

五、new和delete在内存中所做的事

new做的事:
1.调用operator new分配空间
2.调用构造函数初始化空间
 
delete做的事:
1.调用析构函数清理对象
2.调用operator delete释放空间
 
new[N]做的事:
1.调用operator new分配空间
2.调用N次构造函数分别初始化每个对象
 
delete做的事:
1.调用N次析构函数清理对象
2.调用operator delete释放空间
 
用一张图来解释:
posted @ 2017-07-21 12:09 来而不往 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏