c++内存相关的一些问题

内存分区:
一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分 :

  • 栈区(stack):由编译器自动分配释放,存放函数的参数值,局部变量的值等,操作方式类似于数据结构中的栈。
  • 堆区(heap):一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收,分配方式类似于链表。
  • 全局/静态区(static):全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域,未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域,程序结束后由系统释放。
  • 文字常量区:常量字符串就是放在这里的,程序结束后由系统释放。
  • 程序代码区:存放函数体的二进制代码。

实例:

int a = 0;   //全局初始化区
char* p1;   //全局未初始化区
int main()
{
    int b; //栈
    char s[] = "abc"; //栈
    char* p2;  //栈
    char* p3 = "123456";// 123456\0在常量区,p3在栈上。
    static int c = 0;  // 全局(静态)初始化区
    p1 = (char*)malloc(10);//分配得来得10和20字节的区域就在堆区
    p2 = (char*)malloc(20);
    strcpy(p1, "123456");  // 123456\0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"
                           //优化成一个地方。
} 

堆与栈:
(1)申请方式:
——由系统自动分配,例如,声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。
——需要程序员自己申请,在c中malloc函数,如char* p1 = (char*)malloc(10);在C++中用new运算符,如char* p2 = new char[10];但是注意p1、p2本身是在栈中的。

(2)空间大小:
——栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域,windows下默认大小是1M,Linux下是8M。
——堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。

(3)空间申请响应:
——只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。
——首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲结点链表中删除,并将该结点的空间分配给程序,另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外,由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

(4)申请效率:
——由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
——一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

(5)存储内容 :
——在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址,然后是函数的各个参数,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存放的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。
——一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小,堆中的具体内容由程序员安排。

new与malloc:
(1) 申请的内存所在位置:
new操作符从自由存储区(free store)上为对象动态分配内存空间,而malloc函数从堆上动态分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念,凡是通过new操作符进行内存申请,该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语,是操作系统所维护的一块特殊内存,用于程序的内存动态分配,C语言使用malloc从堆上分配内存,使用free释放已分配的对应内存。

那么自由存储区是否能够是堆(问题等价于new是否能在堆上动态分配内存),这取决于operator new 的实现细节。自由存储区不仅可以是堆,还可以是静态存储区,这都看operator new在哪里为对象分配内存。

特别的,new甚至可以不为对象分配内存!定位new的功能可以办到这一点:

new (place_address) type

place_address为一个指针,代表一块内存的地址。当使用上面这种仅以一个地址调用new操作符时,new操作符调用特殊的operator new,也就是下面这个版本:

void * operator new (size_t,void *) //不允许重定义这个版本的operator new

这个operator new不分配任何的内存,它只是简单地返回指针实参,然后右new表达式负责在place_address指定的地址进行对象的初始化工作。

(2)返回类型安全性:
new操作符内存分配成功时,返回的是对象类型的指针,类型严格与对象匹配,无须进行类型转换,故new是符合类型安全性的操作符。而malloc内存分配成功则是返回void * ,需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。
类型安全很大程度上可以等价于内存安全,类型安全的代码不会试图方法自己没被授权的内存区域。关于C++的类型安全性可说的又有很多了。

(3)内存分配失败时的返回值:
new内存分配失败时,会抛出bac_alloc异常,它不会返回NULL;malloc分配内存失败时返回NULL。

(4)是否需要指定内存大小:
使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小,编译器会根据类型信息自行计算,而malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。

class A{
  //...
};
A* ptr = new A;
A* ptr = (A*)malloc(sizeof(A)); //需要显式指定所需内存大小sizeof(A); 

当然了,我这里使用malloc来为我们自定义类型分配内存是不怎么合适的,请看下一条。
(5)是否调用构造函数/析构函数:
使用new操作符来分配对象内存时会经历三个步骤:
第一步:调用operator new 函数(对于数组是operator new[])分配一块足够大的,原始的,未命名的内存空间以便存储特定类型的对象。
第二步:编译器运行相应的构造函数以构造对象,并为其传入初值。
第三部:对象构造完成后,返回一个指向该对象的指针。

使用delete操作符来释放对象内存时会经历两个步骤:
第一步:调用对象的析构函数。
第二步:编译器调用operator delete(或operator delete[])函数释放内存空间。

总之来说,new/delete会调用对象的构造函数/析构函数以完成对象的构造/析构,而malloc则不会,所以使用malloc/free来处理C++的自定义类型不合适,其实不止自定义类型,标准库中凡是需要构造/析构的类型通通不合适。

(6)对数组的处理:
C++提供了new[]与delete[]来专门处理数组类型:

 A * ptr = new A[10];//分配10个A对象

使用new[]分配的内存必须使用delete[]进行释放:

 delete [] ptr;

new对数组的支持体现在它会分别调用构造函数函数初始化每一个数组元素,释放对象时为每个对象调用析构函数。注意delete[]要与new[]配套使用,不然会找出数组对象部分释放的现象,造成内存泄漏。

至于malloc,它并知道你在这块内存上要放的数组还是啥别的东西,反正它就给你一块原始的内存,在给你个内存的地址就完事。所以如果要动态分配一个数组的内存,还需要我们手动自定数组的大小:

int * ptr = (int *) malloc( sizeof(int)* 10 );//分配一个10个int元素的数组

(7)对异常的处理:
在operator new抛出异常以反映一个未获得满足的需求之前,它会先调用一个用户指定的错误处理函数,这就是new-handler。new_handler是一个指针类型:

namespace std
{
    typedef void (*new_handler)();
}

指向了一个没有参数没有返回值的函数,即为错误处理函数。为了指定错误处理函数,客户需要调用set_new_handler,这是一个声明于的一个标准库函数:

namespace std
{
    new_handler set_new_handler(new_handler p ) throw();
}

set_new_handler的参数为new_handler指针,指向了operator new 无法分配足够内存时该调用的函数。其返回值也是个指针,指向set_new_handler被调用前正在执行(但马上就要发生替换)的那个new_handler函数。

对于malloc,客户并不能够去编程决定内存不足以分配时要干什么事,只能看着malloc返回NULL。

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