【C++精华铺】7.C++内存管理

痛定思痛。 2023-10-14 19:14 19阅读 0赞

**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![icon-default.png_t_N6B9][]https://zi-yi.blog.csdn.net/article/details/127347451?spm=1001.2014.3001.5502][malloc calloc realloc free _-CSDN_icon-default.png_t_N6B9_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：

![547f45c1f4b14be9b30ceefa55553cc3.png][]

### 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：
> 
> ![1a568de0818847dda9e0c2edf96f2623.png][]

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 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);
    }

**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_FINALLY
    		return;
    }

**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：

> 输出：
> 
> ![82fe6bd3fbfd426e895e12ddfc2e8c5b.png][]

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？

> 错误：
> 
> ![842f063fb062452389bc2f84399cf3d7.png][]

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：

![ebbd869952c2449391170e15cfac0581.png][]

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：
> 
> ![ea3c7bea469349daa66fe25aea9ad6b8.png][]

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。

![3321b7cb69bb45caa59b690fd4a091ca.png][]

## 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

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