数据内存分布与管理

news/2025/3/14 17:54:26/

1.C/C++内存分布 

栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的，内存由系统自动分配，自动释放，分配的位置和大小无法主动控制。

内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口。

创建共享共享内存，做进程间通信。

堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的，主动申请和释放，new，malloc等函数分配内存

数据段--存储全局数据和静态数据。

代码段--可执行的代码/只读常量。

1.1栈和堆拓展

1.1.1 申请方式

int a;//系统自动分配内存
int* p = new int a[4];//主动申请内存

1.1.2 效率

栈：

windows 下系统预留栈的空间一般为2M,只要申请的内存大小小于剩余的可用栈大小，系统立马分配，否则报错，GetlastError0);

堆：
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节点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。首地址记录本地分配的大小，由于找到的堆节点的大小不一定正好等于申请的大小， 系统会自动将多余的那部分重新放入空闲链表中。

1.1.3申请大小

栈:
在windows 下，栈是一种想低地址扩展的数据结构，分栈的大小已经是系统多分配好的；

堆:
堆是一种向高地址拓展的数据结构，由一块块链表内存组成，其大小限制很大程度上取决于虚拟内存 。

1.1.4 存取效率

栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持；分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高；

堆则有C/C++提供的库函数或者运算符来完成申请和管理，实现机制较为复杂，频繁的内存由请容易产内存磁片。

 

 1.2相关题目

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{static int staticVar = 1;int localVar = 1;int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };char char2[] = "abcd";const char* pChar3 = "abcd";int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);free(ptr1);free(ptr3);
}

1.2.1 选择题：

  选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

  globalVar在哪里？__C__  staticGlobalVar在哪里？__C__

  staticVar在哪里？__C__  localVar在哪里？__A__

  num1 在哪里？__A__

  分析:

  globalVar全局变量在数据段 staticGlobalVar静态全局变量在静态区

  staticVar静态局部变量在静态区  localVar局部变量在栈区

  num1局部变量在栈区

  char2在哪里？__A__  *char2在哪里？__A__

  pChar3在哪里？__A__   *pChar3在哪里？__D__

  ptr1在哪里？__A__    *ptr1在哪里？__B__

  分析:

  char2局部变量在栈区  

char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上

  pChar3局部变量在栈区   *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

  ptr1局部变量在栈区     *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆上

1.2.2. 填空题：

  sizeof(num1) = __40__;//数组大小,10个整形数据一共40字节

  sizeof(char2) = __5__;//包括\0的空间

  strlen(char2) = __4__;//不包括\0的长度

  sizeof(pChar3) = __4__;//pChar3为指针

  strlen(pChar3) = __4__;//字符串“abcd”的长度，不包括\0的长度

  sizeof(ptr1) = __4__;//ptr1是指针

2.C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test ()
{
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？free(p3 );
}

 3.C++内存管理方式

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了，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。

3.1 new/delete操作内置类型

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10int* 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[]

注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

 

#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
int main()
{// new/delete 和 malloc/free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A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));A* p2 = new A(1);free(p1);delete p2;// 内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // Cint* p4 = new int;free(p3);delete p4;A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与
free不会。

4.operator new 与operator delete 函数

4.1operator new 与operator delete 函数（重点）

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是
系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过
operator delete全局函数来释放空间。

/*
operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间
失败，尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否
则抛异常。
*/
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid* p;while ((p = malloc(size)) == 0)if (_callnewh(size) == 0){// report no memory// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}return (p);
}
/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
void operator delete(void* pUserData)
{_CrtMemBlockHeader* pHead;RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));if (pUserData == NULL)return;_mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */__TRY/* get a pointer to memory block header */pHead = pHdr(pUserData);/* verify block type */_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果
malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施
就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

5.new和delete的实现原理

5.1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。

5.2 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。

6.定位new表达式（placement-new）

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
使用场景：
定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如
果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

7.malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地
方是：
1. malloc和free是函数，new和delete是操作符
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可，
如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需
要捕获异常
6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new
在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成
空间中资源的清理释放


http://www.ppmy.cn/news/1509991.html

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