淺談C++內(nèi)存管理基礎(chǔ)知識(shí)

更新時(shí)間：2021年11月18日 11:29:44 作者：胡代洲

這篇文章主要為大家介紹了C++的內(nèi)存管理，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來(lái)幫助

概述

內(nèi)存管理的原理龐大而復(fù)雜，然而這些都被操作系統(tǒng)進(jìn)行了封裝，并對(duì)外預(yù)留了API，這些api被c++調(diào)用，同時(shí)也被c++再次進(jìn)行了封裝，再面向程序員預(yù)留出了語(yǔ)法特性的接口，作為使用c++的程序員，我們只需要掌握c++預(yù)留的內(nèi)存管理特性即可，就像我們開(kāi)車不需要管變數(shù)箱、發(fā)動(dòng)機(jī)是怎么變速、點(diǎn)火的，我們只需要掌握汽車給我們預(yù)留的接口，方向盤、剎車、油門如何使用即可。

c++程序容易出bug，主要就是因?yàn)閮?nèi)存管理部分的復(fù)雜性 ,java、python等語(yǔ)言提供了更多的封裝，所以降低了程序員的操作難度和犯錯(cuò)的可能。就像自動(dòng)檔的汽車一樣，沒(méi)有了離合，自然就不會(huì)因操作失誤把變速箱損壞。

c++可用內(nèi)存

c語(yǔ)言的可用內(nèi)存

在c語(yǔ)言中我們的可用內(nèi)存主要分以下幾個(gè)區(qū)域：

棧，用于存放局部變量。
全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)/靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，用于存放全局變量和靜態(tài)局部變量。
const數(shù)據(jù)區(qū)，該區(qū)域在內(nèi)存中實(shí)際是沒(méi)有指定分區(qū)的，他存在于全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)或者棧中，const不能被修改是被編譯器限制的，在物理內(nèi)存中根本就沒(méi)有只讀類型的內(nèi)存。所以有時(shí)候我們?cè)谟懻摲謪^(qū)的時(shí)候，不會(huì)提到const區(qū)，因?yàn)樗揪蜎](méi)有獨(dú)立存在。
代碼段，當(dāng)然是用來(lái)存放代碼，在linux下，我們的可執(zhí)行代碼從rom中讀取到內(nèi)存中執(zhí)行，雖說(shuō)內(nèi)存可讀可寫，但是在操作系統(tǒng)的監(jiān)控下，這段內(nèi)存也是只讀不寫的區(qū)域。
堆，c中的堆由malloc申請(qǐng)，free釋放，底層也是由操作系統(tǒng)提供給我們的程序的一段內(nèi)存。

c++新增內(nèi)存區(qū)域

c中的內(nèi)存分區(qū)在c++中全部都存在，而c++新增了自由存儲(chǔ)區(qū)，使用new來(lái)申請(qǐng)，delet來(lái)釋放，實(shí)際和malloc申請(qǐng)的內(nèi)存在一個(gè)區(qū)域，new使用內(nèi)存示例如下：

int *p = new int;
*p=6;
cout << "*p=" << *p << endl;
delete p;

new和malloc

linux平臺(tái)中new內(nèi)部其實(shí)還是通過(guò)malooc來(lái)申請(qǐng)的內(nèi)存，只是附加做了些其他工作，例如調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)來(lái)初始化。malloc返回的就像一塊荒地，需要你自己來(lái)規(guī)劃，而new返回的是一個(gè)修好基建的區(qū)域給你。

malloc	new
c庫(kù)函數(shù)	運(yùn)算符、關(guān)鍵字
分配空間由傳參決定	大小由數(shù)據(jù)類型決定，編譯器自動(dòng)計(jì)算
返回值void *	明確的類型，申請(qǐng)啥返回啥
free釋放	delete、delet[ ]釋放
申請(qǐng)內(nèi)存不初始化	可以隱式和顯示初始化
無(wú)構(gòu)造函數(shù)	執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)
申請(qǐng)失敗返回NULL	申請(qǐng)失敗返回bad_alloc異常

智能指針引入

我們說(shuō)，cpu決定了匯編指令、匯編決定了c和c++，所以c/c++的指針是天然的，用來(lái)支持匯編的間接尋址，可以說(shuō)是cpu決定的指針。所以指針是無(wú)法避開(kāi)的，指針的優(yōu)勢(shì)是太靈活，劣勢(shì)也是太靈活，尤其是與動(dòng)態(tài)內(nèi)存、構(gòu)造、析構(gòu)結(jié)合使用后容易出錯(cuò)，所以c++發(fā)明了一種智能指針，有程序員和專門設(shè)計(jì)的自動(dòng)管理機(jī)制共同把控以減少出錯(cuò)。這種自動(dòng)管理機(jī)制在c中就有體現(xiàn)，如棧就是自動(dòng)管理的結(jié)果。

智能指針是普通指針的升級(jí)版，本身具備指針的功能，且多出一些自動(dòng)釋放資源的機(jī)制，當(dāng)然，智能指針的使用會(huì)比普通指針要多消耗一些資源和開(kāi)銷。在c++中，智能指針不是唯一的，有很多類型的智能指針，各有優(yōu)劣和適應(yīng)的場(chǎng)景。使用智能指針時(shí)，須按照設(shè)計(jì)，正確使用，否則容易導(dǎo)致災(zāi)難。

智能指針的實(shí)現(xiàn)

將普通指針?lè)庋b為棧式復(fù)合指針對(duì)象，內(nèi)部包含了除了真正指向目標(biāo)的指針外還有些其他東西，如使用次數(shù)記錄等，要使用智能指針，我們需要注意以下問(wèn)題：

將智能指針本身定義為局部（棧上），實(shí)現(xiàn)指針本身被自動(dòng)回收的。
智能指針內(nèi)部設(shè)計(jì)為當(dāng)指針本身要被彈棧釋放時(shí)，執(zhí)行事先掛接好的清理函數(shù)，也就是說(shuō)智能指針內(nèi)部應(yīng)該有一個(gè)函數(shù)指針，指向我們的清理函數(shù)。
智能指針需要使用庫(kù)為其提供的方法和運(yùn)算符來(lái)重載使用。

java延伸

java語(yǔ)言整體框架

為了保證知識(shí)的完整，我們簡(jiǎn)單的介紹一下java的內(nèi)容，來(lái)了解一些優(yōu)質(zhì)方法。

cpu ->系統(tǒng)內(nèi)核 -> 應(yīng)用層框架 -> java虛擬機(jī) -> Java字節(jié)碼 -> java源碼

從上面的架構(gòu)，我們能看出來(lái)，java比c/c++多了三層，java的源碼編譯輸出的并不是cpu可執(zhí)行的機(jī)器碼，而是被編譯成java字節(jié)碼，這個(gè)東西完全是java自己定義的一種東西，只能在JVM（java虛擬機(jī)）上運(yùn)行， JVM再基于一些內(nèi)核提供的框架來(lái)運(yùn)行，所以說(shuō)java是一種解釋性語(yǔ)言，他完全靠JVM進(jìn)行解釋，而c/c++是編譯型語(yǔ)言，源碼直接編譯成cpu可執(zhí)行的機(jī)器碼。正因?yàn)橛辛薐VM，所以java可以跨平臺(tái)運(yùn)行，哪里有JVM哪里就可以運(yùn)行java，前提是不同平臺(tái)的JVM能相互兼容，java的運(yùn)行穩(wěn)定性取決于JVM。

java的垃圾回收機(jī)制

java有一個(gè)專門做垃圾回收的守護(hù)進(jìn)程，GC線程，他內(nèi)部使用GC機(jī)制和算法來(lái)得到生命周期結(jié)束的變量對(duì)象，把這些對(duì)象當(dāng)成垃圾進(jìn)行回收。

實(shí)際上垃圾回收并不是java的專利，其他語(yǔ)言，如c#也有類似的設(shè)計(jì)理念，典型的就是他們都沒(méi)有指針，其垃圾回收機(jī)制讓程序員免于考慮對(duì)象的生命周期和資源的申請(qǐng)與釋放，使得這門語(yǔ)言非常好學(xué)，其實(shí)垃圾回收機(jī)制的背后都是以效率和內(nèi)存資源為代價(jià)，換來(lái)的不易出錯(cuò)，簡(jiǎn)單好用。