[导读]C内存管理（一）导语c内存管理学习自侯捷。下面是本次对C内存管理一些笔记。1.四种内存分配与释放在编程时可以通过上图的几种方法直接或间接地操作内存。下面将介绍四种C内存操作方法：对于GNUC：四种分配与释放方式如下：//C函数void*p1=malloc(512);*(int*)...

C 内存管理（一）

导语

c 内存管理学习自侯捷。

下面是本次对C 内存管理一些笔记。

1.四种内存分配与释放

在编程时可以通过上图的几种方法直接或间接地操作内存。下面将介绍四种C 内存操作方法：

对于GNU C：四种分配与释放方式如下：

// C函数 void *p1 = malloc(512); *(int *) p1 = 100; cout << *(int *) p1 << endl; free(p1);

// C 表达式 int *p2 = new int(10); cout << *p2 << endl; delete p2;

// C 函数实际上等价于上述malloc与free void *p3 = ::operator new(512); *(int *) p3 = 103; cout << *(int *) p3 << endl; ::operator delete(p3);

//C 标准库 printf("hello gcc %d\n", __GNUC__);#ifdef __GNUC__// 以下函数都是non-static,一定要通过object调用，以下分配7个单元，而不是7个字节 int *p4 = allocator<int>().allocate(7); *p4 = 9; cout << *p4 << endl; allocator<int>().deallocate((int *) p4, 7);

/** * void *p = alloc::allocate(512); 分配512bytes * alloc::deallocate(p,512); */ // __pool_alloc等价于之前的alloc 9个单元 int *p5 = __gnu_cxx::__pool_alloc<int>().allocate(9); *p5 = 10; cout << *p5 << endl; __gnu_cxx::__pool_alloc<int>().deallocate((int *) p5, 9);#endif

2.new/delete表达式

2.1 new表达式

当使用operator new：

// 下面这个是new expression,而operator new 是函数Complex* pc = new Complex(1,2);上述会被编译器转为：

Complex *pc;try {// operator new 实现自 new_op.cc void* mem = operator new(sizeof(Complex)); //allocate 分配内存 pc = static_cast(mem); // cast 转型以符合对应的类型，这里对应为Complex* pc->Complex::Complex(1,2); // construct

   // 注意：只有编译器才可以像上面那样直接呼叫ctor 欲直接调用ctor可通用placement new: new(p) Complex(1,2);

}catch(std::bad_alloc) { // 若allocation失败就不执行constructor}new操作背后编译器做的事：

第一步通过operator new()操作分配一个目标类型的内存大小，这里是Complex的大小；
第二步通过static_cast将得到的内存块强制转换为目标类型指针，这里是Complex*
第三版调用目标类型的构造方法，但是需要注意的是，直接通过pc->Complex::Complex(1, 2)这样的方法调用构造函数只有编译器可以做，用户这样做将产生错误。

注意：operator new()操作的内部是调用了malloc()函数。

operator new()具体实现源代码见：

https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc++-v3/libsupc++/new_op.cc

2.2 delete表达式

对于上述delete调用，

delete pc;pc->~Complex(); //先析构operator delete(pc); //然后释放内存delete操作步骤：

第一步调用了对象的析构函数
第二步通过operator delete()函数释放内存，本质上也是调用了free函数。

operator delete()具体实现源代码见：

https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc++-v3/libsupc++/del_op.cc

3.array new/array delete

3.1 array

上图主要展示的是关于array new内存分配的大致情况。

当new一个数组对象时（例如 new Complex[3]），编译器将分配一块内存，这块内存首部是关于对象内存分配的一些标记，然后下面会分配三个连续的对象内存，在使用delete释放内存时需要使用delete[]。

什么情况下发生内存泄露？

如果不使用delete[]，只是使用delete只会将分配的三块内存空间释放，但不会调用对象的析构函数，如果对象内部还使用了new指向其他空间，如果指向的该空间里的对象的析构函数没有意义，那么不会造成问题，如果有意义，那么由于该部分对象析构函数不会调用，那么将会导致内存泄漏。

图中new string[3]便是一个例子，虽然str[0]、str[1]、str[2]被析构了，但只是调用了str[0]的析构函数，其他对象的析构函数不被调用，这里就会出问题。

其中的cookie保存的是delete[]里面的数据，比如delete几次。

3.2 演示数组对象创建与析构过程

构造函数调用顺序是按照构建对象顺序来执行的，但是析构函数执行却相反。

构造函数：自上而下；析构函数：自下而上。

3.3 malloc基本构成

如果使用new分配十个内存的int，内存空间如上图所示，首先内存块会有一个头和尾，黄色部分为debug信息，灰色部分才是真正使用到的内存，蓝色部分的12bytes是为了让该内存块以16字节对齐。在这个例子中delete pi和delete[] pi效果是一样的，因为int没有析构函数。但是如果释放的对象的析构函数有意义，array delet就必须采用delete[]，否则发生内存泄露。

4.placement new

char *buf = new char[sizeof(Complex) * 3];Complex *pc = new(buf)Complex(1, 2);delete[]buf;上述被编译器编译为：

Complex *pc;try void* mem = operator new(sizeof(Complex),buf); //allocate pc= static_cast(mem);//cast pc->Complex::Complex(1,2);//construct} catch (std::bad_alloc) { // 若allocation失败就不执行construct}值得注意的是，这里采用的operator new有两个参数，我们在下面源码中：

https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc++-v3/libsupc++/new

看到：

_GLIBCXX_NODISCARD inline void* operator new(std::size_t, void* __p) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT{ return __p; }因此得出，没有做任何事，直接返回buf，因此placement new 就等同于调用构造函数。也没有所谓的operator delete ,因为placement new根本没有分配memory。

5.重载

5.1 C 内存分配的途径

如果是正常情况下，调用new之后走的是第二条路线，如果在类中重载了operator new()，那么走的是第一条路线，但最后还是要调用到系统的::operator new()函数，这在后续的例子中会体现。

对于GNU C，背后使用的allocate()函数最后也是调用了系统的::operator new()函数。

5.2 重载new 和 delete

上面这张图演示了如何重载系统的::operator new()函数，该方法最后也是模拟了系统的做法，效果和系统的方法一样，但一般不推荐重载::operator new()函数，因为它对全局有影响，如果使用不当将造成很大的问题。

如果是在类中重载operator new()方法，那么该方法有N多种形式，但必须保证函数参数列表第一个参数是size_t类型变量；对于operator delete()，第一个参数必须是void* 类型，第二个size_t是可选项，可以去掉。

对于operator new[]和operator delete[]函数的重载，和前面类似。

6.pre-class allocator1

前面把基本元素的重载元素学完了，例如：new、operator new、array new等等。万事俱备，现在可以开始一个class进行内存管理。

对于malloc来说，大家都有一个误解，以为它很慢，其实它不慢，后面会讲到。无论如何，减少malloc的调用次数，总是很好的，所以设计class者，可以先挖一块，只使用一次malloc，使用者使用，就只需要调用一次malloc，这样就是一个小型的内存管理。

除了降低malloc次数之外，还需要降低cookie用量。前面提到一次malloc需要一组(两个)cookie，总共8字节。

所以，如果一次要1000个大小，这1000个切下来，都是不带cookie，只有1000个一整包上下带cookie。所以内存池的设计就是一整块，一个池塘。这一大块设计不但要提升速度，而且要降低浪费率。所以内存管理目标就是，一个是速度，一个是空间。

每次挖一大块，需要指针把他们穿起来，如下图右边链表结构，基于这个考量，下面例子中设计了next指针。此时碰到了一个困惑：多设计了一个指针，去除了cookie，却膨胀率100%(int i 占4字节，指针也是4字节)。

使用者使用new的时候，就会被接管到operator new这个函数来，delete类似。

分配：operator new就是挖一大块，里面主要做的就是指针操作与转型。其中freeStore指向头，operator new返回的就是freeStore表头。

回收：当使用者delete一个Scree，就会先调用析构函数，然后调用释放内存函数，operator delete接管了这个任务，接收到一个指针。就把这个链表回收到单向链表之中。单向链表始终都有一个头，所以回收动作最快放在链表开头。

7.pre-class allocator2

这里与上述不同之处在于使用union设计，这里带来了一个观念：嵌入式指针，embedding pointer。

分配与释放同前面6。

嵌入式指针：rep占16字节，next占前8字节。

union { AirplaneRep rep; //此針對 used object Airplane* next; //此針對 free list};借用一个东西的前8字节当指针用，这样整体上可以节省空间，这是一个很好的想法，在内存管理中都是这么来用。

最后，6与7中的operator delete并没有free掉，只是回收到单向链表中。这样子好？

这种当然不好，技术难点非常高，后面谈！虽然没有还给操作系统，但不能说它内存泄露，因为这些都在它的"手上"。

8.static allocator3

不要把内存分配与回收写在各个class中，而要把它们集中在一个allocator中！

在前面设计中，每次都需要重载相应的函数，内部处理一些逻辑，重复代码量多，我们可以将这些包装起来，使它容易被重复使用。以下展示一个作法：每个allocator object都是个分配器，在allocator设计了allocate与deallocate两个函数。，它内部设计如下：

class allocator{private: struct obj { struct obj* next; //embedded pointer };public: void* allocate(size_t); void deallocate(void*, size_t); void check();

private: obj* freeStore = nullptr; const int CHUNK = 5; //小一點方便觀察标准库里面是20};

其他类，例如：Foo和Goo，当需要allocator这种内存管理池，只需要写出下面两个函数：

static void* operator new(size_t size){ return myAlloc.allocate(size);}static void operator delete(void* pdead, size_t size){ return myAlloc.deallocate(pdead, size);}然后把内部做的动作交给myAlloc。myAlloc是专门为Foo或者Goo之类的服务的，可以设计为静态：

static allocator myAlloc;想象成里面有一根指针指向一条链表，专门为自己服务。

这里实现同前面的实现。

void* allocator::allocate(size_t size){ obj* p;

if (!freeStore) { //linked list 是空的，所以攫取一大塊 memory size_t chunk = CHUNK * size; freeStore = p = (obj*)malloc(chunk);

//cout << "empty. malloc: " << chunk << " " << p << endl;

//將分配得來的一大塊當做 linked list 般小塊小塊串接起來 for (int i = 0; i < (CHUNK - 1); i) { //沒寫很漂亮, 不是重點無所謂. p->next = (obj*)((char*)p size); p = p->next; } p->next = nullptr; //last } p = freeStore; freeStore = freeStore->next;

//cout << "p= " << p << " freeStore= " << freeStore << endl;

return p;}同前面实现：

void allocator::deallocate(void* p, size_t){ //將 deleted object 收回插入 free list 前端 ((obj*)p)->next = freeStore; freeStore = (obj*)p;}这样设计好之后，任何一个class要使用它，这种写法比较干净，application classes不再需内存分配纠缠不清，所有相关细节交给allocator去操心。

9.macro for static allocator4

之前的几个版本都是在类的内部重载了operator new()和operator delete()函数，这些版本都将分配内存的工作放在这些函数中，但现在的这个版本将这些分配内存的操作放在了allocator类中，这就渐渐接近了标准库的方法。

从上面的代码中可以看到，两个类Foo和Goo中operator new()和operator delete()函数等很多部分代码类似，于是可以使用宏来将这些高度相似的代码提取出来，简化类的内部结构，但最后达到的结果是一样的。

//DECLARE_POOL_ALLOC -- used in class definition#define DECLARE_POOL_ALLOC() \public:\ void* operator new(size_t size) { \ return myAlloc.allocate(size); \ } \ void operator delete(void* p) { \ myAlloc.deallocate(p, 0); \ } \protected: \ static light::allocator myAlloc;

//IMPLEMENT_POOL_ALLOC -- used in class implementation#define IMPLEMENT_POOL_ALLOC(class_name) \light::allocator class_name::myAlloc;Foo、Goo:

class Foo {DECLARE_POOL_ALLOC()public: long L; string str;public: Foo(long l): L(l) { }};

IMPLEMENT_POOL_ALLOC(Foo)

class Goo {DECLARE_POOL_ALLOC()public: complex<double> c; string str;public: Goo(const complex<double> x): c(x) { }};

IMPLEMENT_POOL_ALLOC(Goo)

10.global allocator

前面设计了版本1、2、3、 4。

版本1：最简单，版本2：加上了embedding pointer，版本3：把内存的动作抽取到class中，版本4：设计一个macro。

上面我们自己定义的分配器使用了一条链表来管理内存的，但标准库却用了多条链表来管理，这在后续会详细介绍:

11.new handler

当operator new无法满足某一内存分配需求时，它会抛出std::bad_alloc exception。某些编译器则返回0，你可以另编译器那么做：new(nothrow) Foo;

在抛出异常之前，它会调用一个客户指定的错误处理函数，也就是所谓的new-handler。

客户通过调用set_new_handler来设置new-handler：

namespace std {typedef void (*new_handler)();new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();}set_new_handler返回之前设置的new_handler。

当operator new无法满足内存申请时，它会不断调用new-handler函数，直到找到足够内存。因此，一个设计良好的new-handler必须做以下事：

a：让更多内存可被使用，以便使operator new下一次分配内存能够成功。实现方法之一就是程序一开始就分配一大块内存，而后当new-handler第一次被调用时，将它们还给程序使用；

b：安装另一个new-handler：如果目前的new-handler无法获得更多内存，并且它直到另外哪个new-handler有此能力，则当前的new-handler可以安装那个new-handler以替换自己，下次当operator new调用new-handler时，就是调用最新的那个。

c：卸载new-handler，一旦没有设置new-handler，则operator new就会在无法分配内存时抛异常；

d：抛出bad_alloc异常；

e：不返回，直接调用abort或exit。

c 设计是为了给我们一个机会，因为一旦内存不足，整个软件也不能运作，所以它借这个机会通知你，也就是通过set_new_handler调用我们的函数，由我们来决定怎么办。

现在回过头看operator new源码：

如果malloc没有成功，handler函数会循环调用，除非我们将handler设置为空，或者在handler中抛出异常。

operator new (std::size_t sz) _GLIBCXX_THROW (std::bad_alloc){ void *p;

/* malloc (0) is unpredictable; avoid it. */ if (__builtin_expect (sz == 0, false)) sz = 1;

while ((p = malloc (sz)) == 0){ new_handler handler = std::get_new_handler (); if (! handler) //利用NULL，跑出错误异常 _GLIBCXX_THROW_OR_ABORT(bad_alloc()); handler (); // 重新设定为原来的函数}

return p;}例子：

#include #include #include

using namespace std;

void noMoreMemory() { cerr<<"out of memory"; abort();}

int main() { set_new_handler(noMoreMemory); int *p=new int[900000000000000]; assert(p);}输出：

out of memory

12.=default和=delete

(=default与=delete) it is not only for constructors and assignments, but also applies to operator new/new[], operator delete/delete[] and their overloads.

解释一下，=default和=delete不仅适用于构造函数和赋值，还适用于operator new / new []，operator delete / delete []及其重载。

C 的类有四类特殊成员函数，它们分别是：默认构造函数、析构函数、拷贝构造函数以及拷贝赋值运算符。这些类的特殊成员函数负责创建、初始化、销毁，或者拷贝类的对象。如果程序员没有显式地为一个类定义某个特殊成员函数，而又需要用到该特殊成员函数时，则编译器会隐式的为这个类生成一个默认的特殊成员函数。

（1）C 11 标准引入了一个新特性："=default"函数。

程序员只需在函数声明后加上“=default;”，就可将该函数声明为 "=default"函数，编译器将为显式声明的 "=default"函数自动生成函数体。

class X {public:X() = default;}

"=default"函数特性仅适用于类的特殊成员函数，且该特殊成员函数没有默认参数。

class X1{public: int f() = default; // err , 函数 f() 非类 X 的特殊成员函数 X1(int, int) = default; // err , 构造函数 X1(int, int) 非 X 的特殊成员函数 X1(int = 1) = default; // err , 默认构造函数 X1(int=1) 含有默认参数};

"=default"函数既可以在类体里（inline）定义，也可以在类体外（out-of-line）定义。

class X2{public: X2() = default; //Inline defaulted 默认构造函数 X2(const X


                
            欲知详情，请下载word文档 下载文档