C++学习 - 内存管理

C++内存管理方式

C语言中的动态内存管理可以使用malloc/calloc/realloc/free，而且C语言的内存管在 C++ 中虽可兼容使用，但在面对 C++ 语言特有的特性时，不仅会显得 “力不从心”，实际开发中也存在明显的使用痛点，具体可从以下两方面梳理：

1. C 语言内存管理无法适配 C++ 的核心特性，存在功能性缺失。C 语言的内存操作本质是 “纯内存块的分配与释放”，仅关注内存空间本身，完全不涉及 C++ 面向对象编程的核心逻辑 —— 例如，用malloc为类对象分配内存时，仅能开辟对应大小的空间，无法自动调用类的构造函数完成成员初始化（如初始化成员变量、申请对象依赖的资源）；而用free释放对象内存时，也无法自动触发析构函数，导致对象持有的资源无法回收，直接引发内存泄漏或资源泄漏。
2. C 语言内存管理的使用成本高，易引发人为错误。C 语言要求开发者手动匹配 “分配与释放”。
   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。

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[3];
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
 }  

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。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数
	cout << "A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A)):";
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	cout << endl;

	cout << "A* p2 = new A(1):";
	A* p2 = new A(1);
	cout << endl;

	cout << "free(p1):";
	free(p1);
	cout << endl;

	cout << "delete p2:";
	delete p2;
	cout << endl;

	// 内置类型是几乎是一样的
	cout << "int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)):";
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
	cout << endl;

	cout << "int* p4 = new int:";
	int* p4 = new int;
	cout << endl;

	cout << "free(p3):";
	free(p3);
	cout << endl;

	cout << "delete p4:";
	delete p4;
	cout << endl;

	cout << "A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10):";
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	cout << endl;

	cout << "A* p6 = new A[10]:";
	A* p6 = new A[10];
	cout << endl;

	cout << "free(p5):";
	free(p5);
	cout << endl;

	cout << "delete[] p6:";
	delete[] p6;
	cout << endl;

	return 0;
}

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。

/*
 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
*/
 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 );
    __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. 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. new T[N]的原理
  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

定位new表达式(placement-new)

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 (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

• 使用场景：

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;
};

// 定位new/replacement new
int main()
{
	// 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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}  

malloc/free和new/delete的区别

• 共同点：

  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。

• 不同点：

  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
     c申请的空间不会初始化，new可以初始化
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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，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释放