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。
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
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<Complex*>(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:
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%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B/new_op.cc
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:
operator delete()
具体实现源代码见:
https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B/del_op.cc
3.array new/array delete
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。
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。
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。
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<Complex*>(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%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B/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。
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。
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。
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。
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"。
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。
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)
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:
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 <new>
#include <iostream>
#include <cassert>
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
(=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;
}
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
};
class X2
{
public:
X2() = default; //Inline defaulted 默认构造函数
X2(const X&);
X2& operator = (const X&);
~X2() = default; //Inline defaulted 析构函数
};
X2::X2(const X&) = default; //Out-of-line defaulted 拷贝构造函数
X2& X2::operator= (const X2&) = default; //Out-of-line defaulted 拷贝赋值操作符
(2)为了能够让程序员显式的禁用某个函数,C++11 标准引入了一个新特性:"=delete"函数。程序员只需在函数声明后上“=delete;”,就可将该函数禁用。
class X3
{
public:
X3();
X3(const X3&) = delete; // 声明拷贝构造函数为 deleted 函数
X3& operator = (const X3 &) = delete; // 声明拷贝赋值操作符为 deleted 函数
};
class X4
{
public:
X4(double) {}
X4(int) = delete;
};
class X5
{
public:
void *operator new(size_t) = delete;
void *operator new[](size_t) = delete;
};
回到侯老师课上,见下面两个ppt:
首先使用了=default对operator new
与operator delete
,由于=defalult不能使用在这些函数上面,在侯老师代码中,将这两行注释掉了,保留了=delete的代码,所以在右侧输出,使用new没问题,使用new[]被禁用,自然报错,第二个是operator new
与operator delete
被禁用,因此new被禁用,报错,new[]正常。
参考资料:https://www.cnblogs.com/lsgxeva/p/7787438.html
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