【C++】——动态内存管理

 

目录

🌞导读

🌔C/C++内存分布 

🌔C++内存管理方式 

🌗new/delete操作内置类型 

🌗new和delete的使用方法

🌔operator new与operator delete函数

🌔new和delete的实现原理

🌗内置类型

🌗自定义类型

🌔定位new表达式 

🌗使用格式

🌔malloc/free和new/delete的区别

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🌞导读

🌟作者简介：日出等日落，在读本科生一枚，致力于 C/C++、Linux 学习。

🌟本文收录于 C++系列，本专栏主要内容为 C++ 初阶、C++ 进阶、STL 详解等，持续更新！

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🌔C/C++内存分布 

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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";
     const 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);
}

malloc、calloc和realloc的区别是什么？

•  malloc申请的内存值是不确定的
•  calloc却在申请后，对空间逐一进行初始化，并设置值为0

选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
num1在哪里？____

char2在哪里？____ *char2在哪里？___
pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____

填空题：
sizeof(num1) = ____; sizeof(char2) = ____;
strlen(char2) = ____; sizeof(pChar3) = ____;
strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;

答案是：

从左至右：

C C C A A A A A D A B 

 40   5   4   4/8   4   4/8 

 在C语言阶段，我们已经学习过内存分布，认识了什么是堆、堆栈、静态区、常量区等。如下图：

栈：又叫堆栈，主要存放非静态局部变量、函数参数、返回值等等，栈是向下增长的；
内存映射段：是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。（Linux系列文章中有讲解）；
堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的；
数据段：存储全局数据和静态数据；
代码段：存储可执行的代码与只读常量；

🌔C++内存管理方式 

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

❓C语言中的malloc函数不是可以很好解决开辟空间的问题吗。为什么还要在C++中增加new呢？

💡解：因为C++中有类对象，我们可能会在类对象中需要开辟空间，而在free的时候，我们只是把类这个变量的空间释放了，但是类中开辟的动态空间可能没有释放，而造成内存泄漏。

在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

🌗new/delete操作内置类型 

void Test()
{
  // 动态申请一个int类型的空间
  int* ptr4 = new int;
  
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr5 = new int(10);
  
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[10];
 
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

🌗new和delete的使用方法

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用 new[]和delete[]

注意：匹配起来使用。

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与 free不会

🌔operator new与operator delete函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是 系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过 operator delete全局函数来释放空间。

🌗那么operator new与operator delete又是什么呢？

operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间 失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否 则抛异常。

简单来说：

• operator new其实是对malloc进行封装后的产物；

之前我们使用malloc函数申请空间时，有非常重要的一点就是要对malloc申请的结果做检查。如果malloc申请失败会返回空指针。 

所以，在C++中，系统通过对malloc申请与检查的工作进行封装推出了operator new函数。当operator new申请空间失败时，会通过抛异常的方式告诉用户。

🌔operator new与operator delete函数底层原理

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}
//operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
void operator delete(void *pUserData) {
     _CrtMemBlockHeader * pHead;
     RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
     if (pUserData == NULL)
         return;
     _mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */
     __TRY
         /* get a pointer to memory block header */
         pHead = pHdr(pUserData);
          /* verify block type */
         _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
         _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );//调用free()
     __FINALLY
         _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
     __END_TRY_FINALLY
     return; }
//free的实现
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

🌔new和delete的实现原理

🌗内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，

不同的地方是：

• new/delete申请和释放的是单个元素的空间
• new[]和delete[]申请的是连续空间
• 而且new在申 请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

🌗自定义类型

⭐new的原理

1. 调用operator new函数申请空间；
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造；

⭐delete的原理

1. 在申请的空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作；
2. 调用operator delete函数释放对象的空间；

⭐new T[N]的原理

1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请；
2. 在申请的空间上执行N次构造函数；

⭐delete[]的原理

1. 在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理；
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间；

对于调用析构函数的理解：
有的小伙伴可能并不清楚为什么要执行析构函数再执行operator delete函数，请思考一下，二者的操作对象是同一个空间吗？

答案：

• 析构函数是对象调用的，目的是清理对象内部申请的资源（例如：动态开辟的数组、自定义类型的变量等）；
• operator delete是用来释放存储对象所在的空间。

• 通俗的理解就是：我申请了一块空间A，并将A的地址交给指针变量P保存，A里面存储了一个对象。但是对象内部又申请了一块空间B，B里面存储了一些其它的数据。当我们delete p时，不能直接释放A，因为A里面存储的对象又申请了一块空间B，我们得首先释放B，不然B就无法释放了。释放B需要对象来调用它的析构函数，B成功的释放了，接下来释放A，调用operator delete来释放A。

🌔定位new表达式 

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。

🌗使用格式

new (指针) 类名或者new (指针) type(初始化列表)

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A()" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
 
void Test5()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	new(p1)A; //注意：如果A的构造函数有参数时需要传参new(p1)(参数列表)
	p1->~A();
	free(p1);
 
 
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
}

🌔malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地 方是：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符。

2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。

3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可， 如果是多个对象，[]中指定对象个数即可。

4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型。

5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需 要捕获异常。

6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new 在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成 空间中资源的清理。