【C++入门】C/C++内存管理 --建议收藏

分手后的思念是犯贱 2022-09-16 14:17 157阅读 0赞

### C/C++内存管理 ###

*  前言
 *  一、内置类型
 *  二、自定义类型
 *  三、operator new/operator delete
 *  四、new和delete的总结
 *   *  小测试，画出下面的st与pst所在栈帧位置
 *  五、定位new表达式
 *  六、malloc/free和new/delete的区别
 *  总结

--------------------

# 前言 #

本篇主要比较从`malloc，free的组合到new，delete的变化`，本章会简述其过程为什么是这样的！！

--------------------

# 一、内置类型 #

#include<iostream>
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
    	//C当中开辟十个整形空间
    	int* pi = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
    	free(pi);
    	pi = NULL;
    	//C++当中开辟十个整形空间
    
    	int* pi2 = new int[10];
    	delete pi2;
    	pi2 = nullptr;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

可以发现对于内置类型来说，我们现在能观察到的就是new相对于malloc可以少写一个返回值，并且**new是一个操作符**。但是大体上我们观察malloc和new是差不多的，看完后面再总结这点。

--------------------

# 二、自定义类型 #

*  **以栈为例，展开new对于自定义类型不同于malloc的不同之处。**

class Stack
    { 
    public:
    	Stack(int x = 10)
    		:a(new int[x])
    		,_capacity(x)
    		,_size(0)
    	{ 
    		cout << "Stack(int x = 10)" << endl;
    	}
    private:
    	int _size;
    	int _capacity;
    	int* a;
    };
    int main()
    { 
    	//C
    	Stack* pst = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
    	free(pst);
    	pst = NULL;
    
    	//C++
    	Stack* pst2 = new Stack;
    	delete(pst2);
    	pst2 = nullptr;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

*  **结论1：**

可以从调试当中看出，我们的new对于内置类型会调用对象的构造函数进行初始化，并且还要说一点，他比起malloc还会对异常进行处理，当我们尝试在32位的情况开辟2g的内存的时候，我们看看编译器会报什么错–抛异常  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]

*  **抛异常后的选择**

**1.抛异常了，所以一般我们在new完之后要记得捕捉异常，因为有的时候有些地方申请内存失败，但是他罪不至死，通过捕捉异常我们可以进行再处理！  
2.不做任何处理**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

*  **异常捕捉打印结果**

bad allocation，就是我们捕捉异常打印的结果，从下面的代码也可以看见我们的“haha’”并没有打印，说明一出现异常的时候catch就把我们的异常捕获了。

int main()
    { 
    	size_t i = 2;
    	try
    	{ 
    		char* pi = new char[i * 1024 * 1024 * 1024];
    		cout << "haha" << endl;
    	}
    	catch (const exception& e)
    	{ 
    		cout << e.what() << endl;
    	}
    }

--------------------

# 三、operator new/operator delete #

这个函数不是重载函数，不是重载函数，不是重载函数！！！  
new和delete是用户在动态申请内存和释放所用到的操作符，operator new和operator delete是系统提供的**全局函数，全局函数，全局函数！！！**

废话不多说，我们直接先来看看底层代码实现

/* 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。 */
    void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) { 
     // try to allocate size bytes
     void *p;
     // ==0即申请失败
     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;//定义一个异常对象
     _RAISE(nomem);//对异常做处理
     
     }
     return (p);
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
![在这里插入图片描述][bf72d2b7d832441191020a6361651b31.png]

我们可以看出，`operator new对比起malloc只是多了一个异常的处理，内部动态申请内存空间也是由malloc代劳，它的返回值和malloc甚至都是一模一样，所以调用operator new和malloc并太大区别，只是在抛异常这点做了处理`，并且可以看出他没有调用构造函数初始化！  
operator delete底层涉及到阻塞队列，线程等概念，在这里我们初步理解为operator delete只是对free进行了一个封装，用起来和free差不多即可。当中释放空间的函数是用free的。

总结：假设对A类来说，new作用符就会干两件事情，调用operator new，和调用A的构造函数进行初始化。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]

--------------------

# 四、new和delete的总结 #

> **1.对于内置类型**来说，new和malloc，free和delete基本类似，不同的地方在于，new/delete是申请/释放单个元素的空间，new\[\]和delete\[\]申请的是连续空间，而且new而在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
> 
> **2.对于自定义类型**来说，**new的原理:** 即调用operator new开空间并且在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。  
> **delete的原理：** 在空间上调用析构函数，完成对象中资源的清理工作，再调用operatir delete函数释放对象的空间。  
> 其中**new T\[n\]的原理：** 调用operator new\[\]函数，operator new\[\]当中又是通过调用operator  
> new函数完成N个对象空间的申请，然后对这些空间执行N次构造函数。**delete\[\]的原理：释放的对象空间上执行了N次析构函数，完成N个对象中资源的清理，调用operator delete\[\]释放空间，实际在operator delete\[\]中调用operator delete来释放空间。**

## 小测试，画出下面的st与pst所在栈帧位置 ##

class Stack
    { 
    public:
    	Stack(int cap)
    		:_a(new int[cap])
    		,_top(0)
    		,_cap(cap)
    	{ }
    private:
    	int* _a;
    	int _top;
    	int _cap;
    };
    int main()
    { 
    	Stack st(5);
    	Stack* pst = new Stack(5);
    	//....
    	delete pst;
    	pst = nullptr;
    	return 0;
    }

需要注意`这两个实例化出来的对象一个是在栈，一个在堆`，他们的声明周期是不一样的，但是他们的\_a都是在堆上面，也证实了调用delete堆上的对象时，会先把它的资源（这里的\_a）给清理了。这样才不会造成内存泄漏。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]

--------------------

# 五、定位new表达式 #

**定位new的作用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**

*  使用方式：**两种方式差异即type有无默认构造函数！**

> 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

定位new一般和内存池使用，正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构造函数进行初始化。  
但我们这里没涉及内存池，所以我们换一个测试，打印一句话证明调用成功即可。

class Stack
    { 
    public:
    	Stack(int cap)
    		:_a(new int[cap])
    		,_top(0)
    		,_cap(cap)
    	{ 
    		cout << "完成一次调用定位new\n";
    	}
    	~Stack()
    	{ 
    		free(_a);
    		_a = nullptr;
    		cout << "完成一次释放空间\n";
    	}
    private:
    	int* _a;
    	int _top;
    	int _cap;
    };
    int main()
    { 
    	Stack* pst = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));
    	
    	new(pst) Stack(5);//这里调用Stack的构造需要传参
    
    	delete(pst);
    	pst = nullptr;
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]

--------------------

# 六、malloc/free和new/delete的区别 #

我们从三点出发：**特点和用法**，**底层原理区别**，**处理错误的方式**。

*  **malloc/free是函数，new/delete是操作符（特点）**
 *  **malloc申请空间需要手动计算空间，new的话只需要空间的类型就可以（用法）**
 *  ***malloc的返回值是void*，new的返回值就是类型的指针(用法)。**
 *  **malloc失败返回NULL，delete失败抛异常（处理错误的方式）**
 *  **申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，new会开辟好空间调用构造函数，delete会先调用析构函数再释放空间。new在申请空间用到了malloc，delete用到了free。（底层原理区别）**

**调用new的时候我们都做了什么？**

我们调用new相当于调用operator new先把空间开出来（抛异常），new当中实现了定位new显示调用构造函数，然后还利用了模板把返回值处理了。  
编辑器的话指令少了定位new直接调用，但我们调用的时候就要显式调用。

--------------------

# 总结 #

C++内存管理结束啦！！下一章节将会进行模板的讲述，讲述完之后就是STL，相当于C++终于可以入门啦！！！

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/d8d9eb9f991b4ef184c583533b1cbcda.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220828/d3e2aa3c9e724ee09de4444a4e3805ef.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220828/91668b3651314c46b4c1c5e132c2e40d.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]: /images/20220828/769500e104a14b9fb7c220269797a138.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]: /images/20220828/44ae9395f01b4ae0b6cfd179dfd1f1fc.png
[bf72d2b7d832441191020a6361651b31.png]: /images/20220828/3653cff3f4664514a679ab7e564f1dbe.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]: /images/20220828/62ea1397634844ed94642842a24aef35.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]: /images/20220828/f5f0c47c3ab6490c8e9f351551c6710b.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAXmpoYW9e_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]: /images/20220828/7aeae647076843149441c611a6b378d3.png