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C/C++的内存管理

2011-09-19 22:30 176 查看

内存管理

1、程序在内存中的分布

在现代的操作系统中,当我们说到内存,往往需要分两部分来讲:物理内存和虚拟内存。从硬件上讲,虚拟空间是CPU内部的寻址空间,位于MMU之前,物理空间是总线上的寻址空间,是经过MMU转换之后的空间。

一般我们所说的程序在内存中的分布指的就是程序在虚拟内存中的存储方式。

从低地址到高地址,可分为下面几段:

预留内存地址
(操作系统维护的内存地址,不可访问)

程序代码区(只读,存代码和一些其他的东西);

data段(存初始化的全局变量和static变量,另外还有文字常量区,常量字符串就是放在这里,程序结束后有系统释放);

bss段(存未初始化的全局变量和static变量);

(由低地址向高地址增长,一般new和malloc分配,由程序员分配释放);

共享库文件(调用的库文件,位于堆和栈之间);

(由高地址向低地址增长,和堆的增长方式相对,对不同的OS来说,栈的初始大小有规定,可以修改,目前默认一般为2M,由编译器自动分配释放);

再上面存的都是操作系统和内核调用的一些内存地址

如图所示:




总结下C/C++中的内存分配方式:

(1) 静态存储区(Statical):存放全局变量、static变量,默认初始化为0值;

(2) 栈区(Automatic):存放函数体内定义的局部变量、参数,由编译器自动分配,地址由高到低。

(3) 堆区(Dynamic):由程序员申请和释放(malloc/free new/delete),堆区中的对象都是匿名的,只能通过指针访问,地址由低到高。注意:用malloc或new申请内存之后,应该立即检查指针值是否为NULL;用free或delete释放内存之后,应立即将指针设置为NULL,防止产生野指针。

(4) 常量区:存放字面值常量,只读。

一个例子如下:

char a[] = "hello";	//a在栈上创建,"hello"在常量区创建
a[0] = 'X';	//ok
cout<<a<<endl;
char *p = "world";	//p在栈上创建,"world"在常量区创建
p[0] = 'X';	//运行时错误,试图修改常量区
cout<<p<<endl;


数组a和指针p都是在栈上创建的,但数组a在内存中占6个字节,它保存的内容正是"hello\n",可以被修改。而指针p保存的内容是"world"所在常量区的地址,不能通过p修改常量区的内容。

2、malloc/free与new/delete的区别

相同点:都可用于申请动态内存和释放内存

不同点

(1)操作对象有所不同

malloc与free是C++/C 语言的标准库函数,new/delete 是C++的运算符。对于非内部数据类的对象而言,光用maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数, 对象消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free
是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加malloc/free。

(2)用法上也有所不同

函数malloc 的原型如下:

void * malloc(size_t size);

用malloc 申请一块长度为length 的整数类型的内存,程序如下:

int *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);

我们应当把注意力集中在两个要素上:“类型转换”和“sizeof”。

1、malloc 返回值的类型是void *,所以在调用malloc 时要显式地进行类型转换,将void * 转换成所需要的指针类型。

2、 malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型,它只关心内存的总字节数。

函数free 的原型如下:

void free( void * memblock );

为什么free 函数不象malloc 函数那样复杂呢?这是因为指针p 的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的,语句free(p)能正确地释放内存。如果p 是NULL 指针,那么free

对p 无论操作多少次都不会出问题。如果p 不是NULL 指针,那么free 对p连续操作两次就会导致程序运行错误。

3、另外几个常用的内存管理相关的函数是memcpy()、memset()和realloc():

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

由source指向地址为起始地址的连续n个字节的数据复制到以destin指向地址为起始地址的空间内。

void *memmove(void *dest, const void *src, size_t n);

由src所指内存区域复制count个字节到dest所指内存区域。memmove支持内存重叠的拷贝。

void *memset(void *s, int c, size_t n);

在一段内存块中填充某个给定的值,它是对较大的结构体或数组进行清零操作的一种最快方法。

void *realloc(void *mem_address, unsigned int newsize);

先按照newsize指定的大小分配空间,将原有数据从头到尾拷贝到新分配的内存区域,而后释放原来mem_address所指内存区域,同时返回新分配的内存区域的首地址。即重新分配存储器块的地址。

new/delete 的使用要点:

运算符new 使用起来要比函数malloc 简单得多,例如:

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

int *p2 = new int[length];

这是因为new 内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言,new 在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数,那么new 的语句也可以有多种形式。

如果用new 创建对象数组,那么只能使用对象的无参数构造函数。例如

Obj *objects = new Obj[100]; // 创建100 个动态对象

不能写成

Obj *objects = new Obj[100](1); // 创建100 个动态对象的同时赋初值1

在用delete 释放对象数组时,留意不要丢了符号‘[]’。例如

delete []objects; // 正确的用法

delete objects; // 错误的用法

后者相当于delete objects[0],漏掉了另外99 个对象。

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1、new自动计算需要分配的空间,而malloc需要手工计算字节数

2、new是类型安全的,而malloc不是,比如:

int* p = new float[2]; // 编译时指出错误

int* p = malloc(2*sizeof(float)); // 编译时无法指出错误

new operator 由两步构成,分别是 operator new 和 construct

3、operator new对应于malloc,但operator new可以重载,可以自定义内存分配策略,甚至不做内存分配,甚至分配到非内存设备上。而malloc无能为力

4、new将调用constructor,而malloc不能;delete将调用destructor,而free不能。

5、malloc/free要库文件支持,new/delete则不要。

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1、本质区别

malloc/free是C/C++语言的标准库函数,new/delete是C++的运算符。

对于用户自定义的对象而言,用maloc/free无法满足动态管理对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数,对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。因此C++需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。

view
plain

class Obj

{

public:

Obj( )

{ cout << "Initialization" << endl; }

~ Obj( )

{ cout << "Destroy" << endl; }

void Initialize( )

{ cout << "Initialization" << endl; }

void Destroy( )

{ cout << "Destroy" << endl; }

}obj;

void UseMallocFree( )

{

Obj * a = (Obj *) malloc( sizeof ( obj ) ); // allocate memory

a -> Initialize(); // initialization

// …

a -> Destroy(); // deconstruction

free(a); // release memory

}

void UseNewDelete( void )

{

Obj * a = new Obj;

// …

delete a;

}

类Obj的函数Initialize实现了构造函数的功能,函数Destroy实现了析构函数的功能。函数UseMallocFree中,由于malloc/free不能执行构造函数与析构函数,必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成“构造”与“析构”。所以我们不要用malloc/free来完成动态对象的内存管理,应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程,对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。

2、联系

既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free,为什么C++还保留malloc/free呢?因为C++程序经常要调用C函数,而C程序只能用malloc/free管理动态内存。如果用free释放“new创建的动态对象”,那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”,理论上讲程序不会出错,但是该程序的可读性很差。所以new/delete、malloc/free必须配对使用。
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