【C++精华铺】7.C++内存管理

目录

1. C语言动态内存管理

2. C++内存管理方式

2.1 new/delete和new T[]/delete[]

 2.1.1 操作内置类型

2.1.2 操作自定义类型

2.2 new/delete和new T[]/delete[]的原理

2.2.1 原理

2.2.2 operator new和operator delete        

2.2.3 new T[]的特殊处理（可以不看）

2.3  定位new表达式（了解）

 3. C语言 malloc/free和C++ new/delete的区别（面试常考）

1. C语言动态内存管理

        C++的内存管理方式和C语言的内存管理方式存在千丝万缕的关系，如果对C语言内存管理不熟悉的可以先去看看这篇文章：

动态内存分配—malloc calloc realloc free 和常见动态内存错误_子亦半截诗的博客-CSDN博客https://zi-yi.blog.csdn.net/article/details/127347451?spm=1001.2014.3001.5502

2. C++内存管理方式

        C++继承了C语言的内存管理方式，但是C语言的内存管理方式在C++中显得心有余而力不足，在涉及内存管理的自定义类型的内存释放上就显得无能为力。C++引入了new/delete和new T[]/delete[]的内存管理方式。在正式学习C++的内存管理方式之前先重温一下C/C++的内存分布：

2.1 new/delete和new T[]/delete[]

 2.1.1 操作内置类型

        new/delete和new T[]/delete[]在操作内置类型的时候和malloc申请空间的方式基本相同，但是new/delete和new T[]/delete[]在开辟空间的同时可以进行初始化。C语言中开辟空间用malloc等，释放空间用free，C++中开辟空间用new/new T[]，释放空间用delete/delete[]。new/delete用来开辟和释放单个对象的空间，new T[]/delete[]用来开辟和释放多个连续对象的空间。（new和delete，new T[]和delete[]必须配套使用，不能交叉使用）

int main()
{//C++98//动态申请一个int类型的空间；int* p1 = new int;delete p1;//动态申请一个int类型的空间并且初始化成1；int* p2 = new int(1);delete p2;//动态开辟十个int类型的空间；int* p3 = new int[10];delete[] p3;//动态开辟十个int类型的空间并全部初始化成0（不支持逐个初始化）；int* p4 = new int[10]();delete[] p4;//C++11 支持了列表初始化//动态申请一个int类型的空间并且初始化成0；int* p5 = new int{};delete p5;//动态申请一个int类型的空间并且初始化成1；int* p6 = new int{1};delete p6;//动态开辟十个int类型的空间并全部初始化成0；int* p7 = new int[10] {};delete[] p7;//动态开辟十个int类型的空间，前面三个空间分别初始化成1，2，3，后面7个元素初始化成0；int* p8 = new int[10] {1, 2, 3};delete[] p8;
}

2.1.2 操作自定义类型

        new/delete和new T[]/delete[]在操作内置类型的时候和malloc几乎没有区别，但是new/delete和new T[]/delete[]在操作自定义类型的时候除了开空间还会调用构造函数和析构函数。如下：

class Date
{
public:Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14):_year(year), _month(month), _day(day){cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};int main()
{Date *d1 = (Date*)malloc(sizeof(Date)); //开空间free(d1);  //释放空间cout << "----------------------------------" << endl;Date* d2 = new Date(); //开空间后调用构造delete d2;   //调用析构后释放空间cout << "----------------------------------" << endl;Date* d3 = new Date[10];  //开十个Date大小的空间，调用十次构造函数。delete[] d3;   //调用十次析构函数，然后释放空间。
}

输出：

         根据结果就可知new和delete不仅仅开空间和释放空间，并且调用了构造和析构。在new的时候new会先开空间然后调用构造函数，而delete会先调用析构函数然后再释放。

2.1.3 

2.2 new/delete和new T[]/delete[]的原理

2.2.1 原理

        在我们讲解new/delete之前我们要引入另外俩个函数，也就是operator new和operator delete，因为new的底层就会调用这个函数，不说废话直接上结论：

1. new的原理：调用operator new函数申请空间；然后再申请的空间调用构造函数初始化对象。
2. delete的原理：在空间上执行析构函数；调用operator delete释放空间。
3. new T[N]的原理：调用operator new[]（实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请）；然后在申请的空间上执行N次构造函数。
4. delete[]的原理：在申请的空间上执行N次析构函数；调用operator delete[]（实际调用operator delete函数完成N个对象空间的析构）完成析构。

2.2.2 operator new和operator delete        

        我们发现无论是new/new T[]还是delete/delete[]最后都调用了这operator new和operator delete，那operator new和operator delete究竟是何方神圣？其实operator new和operator delete是对malloc和free的封装，这俩个函数分别都有三种不同的重载形式。

• throwing(1) void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
• nothrow(2) void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value) throw();
• placement(3) void* operator new (std::size_t size, void* ptr) throw();

• ordinary(1) void operator delete (void* ptr) throw();
• nothrow(2) void operator delete (void* ptr, const std::nothrow_t& nothrow_constant) throw();
• placement(3) void operator delete (void* ptr, void* voidptr2) throw();

        对于这几个函数我们没必要做过多的深究（容易走火入魔），性价比不高。所以我们只会带大家了解一下俩个函数的第一种重载形式，其他的我只会一句带过。

        1. throwing(1) void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);这个函数的底层实际是通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功就会直接返回空间的地址，如果是失败，会尝试执行空间不足的应对措施，如果用户设置了应对措施就会继续申请，否则就会抛bad_alloc异常。（对于异常如果不了解的同学只需记住就可以，以后会学习）

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid* 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);
}

         throwing(1)和nothrow(2)的区别就是nothrow(2)申请空间失败不会抛异常，而是返回空指针。 

        2. ordinary(1) void operator delete (void* ptr) throw();这个函数底层调用的是free来释放空间，使指针位置无效，解除内存分配。

/*
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
*/
void operator delete(void* pUserData)
{_CrtMemBlockHeader* pHead;RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));if (pUserData == NULL)return;_mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads  阻止其他线程*/__TRY/* get a pointer to memory block header 获取指向内存块首地址的指针*/pHead = pHdr(pUserData);/* verify block type 验证块类型 */_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);   //调用free__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads 释放其他线程*/__END_TRY_FINALLYreturn;
}

        nothrow(2)和ordinary(1)功能完全相同，placement(3)也叫做放置删除，不会做任何处理。

         3. operator new/operator delete的使用：

        operator new/operator delete的使用方式和malloc/free完全相同，不同在于operator new/operator delete申请失败抛异常，malloc/free申请失败返回NULL。

int main()
{int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);int* p2 = (int*)operator new(sizeof(int));operator delete(p2);
}

2.2.3 new T[]的特殊处理（可以不看）

        （这里大家可以跳过，因为不同编译器处理方式不同，不是特别需要去了解）在我们使用malloc/free、new/delete、new T[]/delete[] 的时候我们发现有的时候在一些情况下是可以交叉使用的，如果不涉及到调用构造和调用析构不会造成内存泄漏的情况下new和free、malloc和delete是可以交叉使用的（强烈不建议交叉使用，直接从根本上杜绝内存泄漏）像下面这种可以使用而且也不会造成内存泄漏，编译器是支持这样写的，但还是不建议。

int main()
{int* p = new int();free(p);int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));delete p1;
}

        对于自定义类型malloc/free、new/delete交叉使用由于free不会调用析构函数会造成内存泄漏，但是编译器也不会报错，也就是说少调用了析构函数造成内存泄漏编译器是不会报错的，无非就是浪费资源了呗。如下：

class Date
{
public:Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14):_year(year), _month(month), _day(day){cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};int main()
{Date* d1 = new Date();free(d1);
}

输出：

         但是当我们将（malloc/free、new/delete）和 new T[]/delete[]交叉使用时，编译器会直接报错，这里难道不只是少调用了析构函数的原因吗？根据上面的案例我们就知道少调用析构造成内存泄漏是不会报错的。那这里报错的原因是什么呢？ 

class Date
{
public:Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14):_year(year), _month(month), _day(day){cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};int main()
{Date* d1 = new Date[10];free(d1); //delete d1;  运行错误
}

错误：

        其实告诉大家，这里报错其实是因为free的位置不对，为什么呢，因为这里编译器其实对new T[]做了处理：

        由于不同编译器的策略可能有不同，所以我们在使用的时候一定要配套使用，不要去交叉。 

2.3  定位new表达式（了解）

        定位new表达式区别于new的地方就是定位new不开空间，而是对一块已经存在的空间进行初始化。定位new的使用场景比较少，一般会与内存池一起搭配使用。

使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)

place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

class Date
{
public:Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14):_year(year), _month(month), _day(day){cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;}void print(){cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{int* p = (int*)malloc(sizeof(int));new(p)int(1);cout << *p << endl;cout << "-----------------------------" << endl;Date* d = (Date*)malloc(sizeof(Date));new(d)Date(2023, 8, 15);d->print();
}

输出：

 补充：内存池机制

        内存池是从堆中划出来的空间，正常我们向堆中申请空间需要先向操作系统申请，再由操作系统给我们分配，而向内存池申请不需要与操作系统交互，而是直接由内存池分配返回地址，因此内存池效率很高。

 3. C语言 malloc/free和C++ new/delete的区别（面试常考）

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