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動態記憶體管理以及malloc,free和new,delete的區別

2020-08-11 19:08:06

爲什麼存在動態記憶體分配?
開闢空間的方式有兩個特點：

  1. 空間開闢大小是固定的。
  2. 陣列在申明的時候，必須指定陣列的長度，它所需要的記憶體在編譯時分配。

但是對於空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程式執行的時候才能 纔能知道，那陣列的編譯時開闢空間的方式就不能滿足了。 這時候就只能試試動態存開闢了。

C/C++中的記憶體分佈

  1. 棧又叫堆疊，非靜態區域性變數/函數參數/返回值等等，棧是向下增長的。
  2. 記憶體對映段是高效的I/O對映方式，用於裝載一個共用的動態記憶體庫。使用者可使用系統介面建立共用共
    享記憶體，做進程間通訊。（Linux課程如果沒學到這塊，現在只需要瞭解一下）
  3. 堆用於程式執行時動態記憶體分配，堆是可以上增長的。
  4. 數據段–儲存全域性數據和靜態數據。
  5. 程式碼段–可執行的程式碼/只讀常數。

動態記憶體函數的介紹

malloc和free

void* malloc(size_t size);
  1. 這個函數向記憶體申請一塊連續可用的空間，並返回指向這塊空間的指針。
  2. 如果開闢成功，則返回一個指向開闢好空間的指針。
  3. 如果開闢失敗，則返回一個NULL指針，因此malloc的返回值一定要做檢查。
  4. 返回值的型別是 void* ，所以malloc函數並不知道開闢空間的型別，具體在使用的時候使用者自己來決定。
  5. 如果參數 size 爲0，malloc的行爲是標準是未定義的，取決於編譯器。

C語言提供了另外一個函數free，專門是用來做動態記憶體的釋放和回收的，函數原型如下：

void free (void* ptr);
  1. free函數用來釋放動態開闢的記憶體。
  2. 如果參數 ptr 指向的空間不是動態開闢的，那free函數的行爲是未定義的。
  3. 如果參數 ptr 是NULL指針，則函數什麼事都不做。

malloc和free都宣告在 stdlib.h 標頭檔案中。

calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);
  1. 函數的功能是爲 num 個大小爲 size 的元素開闢一塊空間，並且把空間的每個位元組初始化爲0。
  2. 與函數 malloc 的區別只在於 calloc 會在返回地址之前把申請的空間的每個位元組初始化爲全0。

realloc

void* realloc(void* ptr, size_t size);
  1. realloc函數的出現讓動態記憶體管理更加靈活。
  2. 有時會我們發現過去申請的空間太小了，有時候我們又會覺得申請的空間過大了，那爲了合理的時候記憶體，
  3. 我們一定會對記憶體的大小做靈活的調整。那 realloc 函數就可以做到對動態開闢記憶體大小的調整。
  4. ptr 是要調整的記憶體地址
  5. size 調整之後新大小
  6. 返回值爲調整之後的記憶體起始位置。
  7. 這個函數調整原記憶體空間大小的基礎上，還會將原來記憶體中的數據移動到 新的空間。

在c++中,有參照了新的動態記憶體開闢函數new,delete

new

void Test()
{
	// 動態申請一個int型別的空間
	int* ptr4 = new int;
 
	// 動態申請一個int型別的空間並初始化爲10
	int* ptr5 = new int(10);
 
	// 動態申請10個int型別的空間
	int* ptr6 = new int[3];
 
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6; 
}

申請和釋放單個元素的空間，使用new和delete操作符，申請和釋放連續的空間，使用new[]和delete[]

new和delete是使用者進行動態記憶體申請和釋放的操作符，operator new 和operator delete是系統提供的全域性函數，new在底層呼叫operator new全域性函數來申請空間，delete在底層通過operator delete全域性函數來釋放空間

operator new: 該函數實際通過malloc來申請空間，當malloc申請空間成功時直接返回；申請空間失敗，嘗試執行空 間不足應對措施，如果改應對措施使用者設定了，則繼續申請，否則拋異常。
operator delete: 該函數最終是通過free來釋放空間的

new的原理

  1. 呼叫operator new函數申請空間
  2. 在申請的空間上執行建構函式，完成物件的構造

delete的原理

  1. 在空間上執行析**構函數，完成物件中資源的清理工作

  2. 呼叫operator delete函數釋放物件的空間

new T[N]的原理

  1. 呼叫operator new[]函數，在operator new[]中實際呼叫operator new函數完成N個物件空間的申
    請
  2. 在申請的空間上執行N次建構函式

delete[]的原理

  1. 在釋放的物件空間上執行N次解構函式，完成N個物件中資源的清理
  2. 呼叫operator delete[]釋放空間，實際在operator delete[]中呼叫operator delete來釋放空間

malloc/free和new/delete的區別

malloc/free和new/delete的共同點是：都是從堆上申請空間，並且需要使用者手動釋放。不同的地方是：

  1. malloc和free是函數，new和delete是操作符
  2. malloc申請的空間不會初始化，new可以初始化
  3. malloc申請空間時，需要手動計算空間大小並傳遞，new只需在其後跟上空間的型別即可
  4. malloc的返回值爲void*, 在使用時必須強轉，new不需要，因爲new後跟的是空間的型別
  5. malloc申請空間失敗時，返回的是NULL，因此使用時必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常
  6. 申請自定義型別物件時，malloc/free只會開闢空間，不會呼叫建構函式與解構函式，而new在申請空間
    後會呼叫建構函式完成物件的初始化，delete在釋放空間前會呼叫解構函式完成空間中資源的清理
  7. new/delete比malloc和free的效率稍微低點，因爲new/delete的底層封裝了malloc/free

關於記憶體分配的試題

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";
 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. 選擇題：
 選項: A.棧 B.堆 C.數據段 D.程式碼段
 globalVar在哪裏？____ staticGlobalVar在哪裏？____
 staticVar在哪裏？____ localVar在哪裏？____
 num1 在哪裏？____
 
 char2在哪裏？____ *char2在哪裏？___
 pChar3在哪裏？____ *pChar3在哪裏？____
 ptr1在哪裏？____ *ptr1在哪裏？____
2. 填空題：
 sizeof(num1) = ____; 

 //C語言中動態記憶體管理方式
 malloc/calloc/realloc和free
 sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
 sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
 sizeof(ptr1) = ____;