【C++】内存管理与模板

编程之路，妙趣横生2023-08-14 8:36

目录

一、内存管理

1.new与delete基本用法

[(1) 内置类型](#(1) 内置类型)

[(2) 自定义类型](#(2) 自定义类型)

[2.new, delete与malloc, free对比](#2.new, delete与malloc, free对比)

[(1) 内置类型](#(1) 内置类型)

[(2) 自定义类型](#(2) 自定义类型)

(3)综合特点

3.new与delete的底层实现

[4. 定位new表达式](#4. 定位new表达式)

二、模板

1.引入机制

[2. 基本使用](#2. 基本使用)

[(1) 函数模板](#(1) 函数模板)

①概念：

②格式：

③原理

④模板实例化

1）隐式实例化

2）显式实例化

⑤模板参数的匹配原则

[(2) 类模板](#(2) 类模板)

①格式：

②模板实例化

③类模板的声明和定义分离

一、内存管理

C语言中对内存管理主要借助的是malloc，calloc，realloc，free这几个库函数

而C++中进行内存管理借助的是new 与 delete这两个库函数

new是用来动态申请内存空间的,相当于malloc或者calloc

delete是用来手动释放动态申请的内存空间的，相当于free

1.new与delete基本用法

(1) 内置类型

① 申请与释放动态申请单个元素的空间

cpp 复制代码 
#include<iostream>
int main()
{
	//只是开空间
	int* p1 = new int; //申请一个int大小的空间,返回该空间的起始地址
	char* p2 = new char;  //申请一个char大小的空间,返回该空间的起始地址

	//开空间+初始化
	int* p3 = new int(1); //申请一个int大小的空间,并初始化这块空间为1
	char* p4 = new char('w'); //申请一个char大小的空间,并初始化这块空间为'w'

	//销毁动态申请空间
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
	delete p4;
}

② 申请与释放连续的空间

cpp 复制代码 
#include<iostream>
int main()
{
	//只是开空间
	int* p1 = new int[5]; //申请5个int大小的空间,返回该空间的起始地址
	char* p2 = new char[5];  //申请5个char大小的空间,返回该空间的起始地址

	//开空间+初始化
	int* p3 = new int[10]{1, 2, 3, 4, 5}; //申请5个int大小的空间,并初始化为1, 2, 3, 4, 5
	char* p4 = new char[5]{'a','b','c','d','e'}; //申请5个char大小的空间,并初始化这块空间为'a','b','c','d','e'

	//销毁动态申请空间
	delete[] p1;
	delete[] p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
}

ps: 初始化时, [ ]里面写的是个数, ()里面写的是初始化内容

(2) 自定义类型

① 申请与释放动态申请单个元素的空间

cpp 复制代码 
#include<iostream>
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//只是开空间
	A* p1 = new A; //创建1个A类型大小的空间

	//开空间+初始化
	A aa1; //A类型创建出了aa1对象
	A* p2 = new A(aa1); //用aa1对象初始化申请的一个A类型大小的空间
	A* p3 = new A(A()); //匿名对象初始化申请的一个A类型大小的空间(用缺省值)
	A* p3 = new A(A(1)); //匿名对象初始化申请的一个A类型大小的空间(传实参)
	A* p4 = new A(1); //1隐式类型转换成A类型的数据去初始化一个A类型大小空间

	//销毁动态内存空间
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
	delete p4;
}

② 申请与释放连续的空间

cpp 复制代码 
#include<iostream>
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//只是开空间
	A* p1 = new A[2]; //创建2个A类型大小的空间

	//开空间+初始化
	A aa1; 
	A aa2;
	A* p2 = new A[2]{ aa1,aa2 }; //用aa1,aa2对象初始化申请的2个A类型大小的空间
	A* p3 = new A[2]{A(1),A(2)}; //两个匿名对象初始化申请的2个A类型大小的空间
	A* p4 = new A[2]{1, 2}; //1, 2隐式类型转换成两个A类型的数据去初始化2个A类型大小空间

	//销毁动态内存空间
	delete p1;
	delete p2;
	delete p3;
	delete p4;
}

2.new, delete与malloc, free对比

(1) 内置类型

cpp 复制代码 
#include<iostream>
int main()
{
	//开辟5个int大小的空间
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
	int* p2 =  new int[5];

	free(p1);
	delete p2;
}

①new与malloc，delete与free 功能上没有实质差异

②new比malloc更简洁：

1). malloc需要用计算单个数据类型大小, 写进表达式，new不需要

2). malloc需要对返回值做强制类型转换,new不需要

③new在开空间的时候可以手动初始化，malloc不可以，即使是calloc也只是自动初始化成0

(2) 自定义类型

①new在申请空间时会调用构造函数，malloc不会，因此new可以在申请空间同时完成初始化, malloc无法初始化

②delete在释放空间时会调用析构函数，free不会，因此delet可以在释放空间同时可以完成对对象中资源的清理, 而free无法完成

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p1);
	cout << "-----------" << endl;

	A* p2 = new A;
	delete p2;
}

ps: 对于动态申请的连续空间，new和delete会多次调用构造函数和析构函数

(3)综合特点

①malloc和free是函数，new和delete是操作符

②malloc开辟空间失败,会返回空指针，因此我们在使用malloc时需要判断返回值是否为空，而new不需要做检查，new开辟失败的话会直接抛异常

3.new与delete的底层实现

new = 开辟空间 + 调用构造函数

delete = 调用析构函数 + 释放空间

而库中开辟空间和释放空间的实现是借助两个全局函数operator new 与 operator delete 完成的

而operator new本质是对 malloc的封装，不过是增加了一些机制，使得开辟失败能报异常

而operator delete本质是对 free 的直接封装

因此，operator new 和operaotor delete 使用起来和 malloc 与 free 是完全一样的

int main()
{
	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int) * 10);
	operator delete(p1);
}

4. 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

格式: new (place_address) type(initializer-list), place_address必须是一个指针, initializer-list是参数列表, 如果构造函数需要传参，则必须传参

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A) * 10);
	//显式调用构造函数
	new(p1)A(10);

	//显式调用析构函数
	p1->~A();
	operator delete(p1);
}

有些场景下会出现内存空间分配了，但是没有初始化的场景(内存池)，这时就需要用定位new表达式对内存进行初始化

二、模板

1.引入机制

两数交换，是我们经常碰到的一个需求，因此我们经常会把两数交换逻辑封装成一个函数

cpp 复制代码 
void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

但是我要交换的数据不是整形呢？是其他类型呢？再写一份太麻烦了，那我们typedef一下~

cpp 复制代码 
typedef int DataType;
void Swap(DataType& left, DataType& right)
{
	DataType tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

这时我们只需要把int改成其他类型就行了，但是我如果想同时交换整形数据和其他类型数据呢？就算typedef也只能调用函数去交换固定类型的数据呀，于是还是得有多份逻辑相同的交换函数~

cpp 复制代码 
void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
	double tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
	char tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

还是太麻烦了，因此C++引入了模板，模板如同现实中的模板, 比如说数学书把数学公式给你了，要根据数学公式去计算具体的题目，你只需要把公式中的符号替换成具体数字就行了~

C++中的模板就是给了编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子生成代码

2. 基本使用

模板分为函数模板与类模板

(1) 函数模板

①概念：

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参化，根据实参类型产生特定的类型模板

②格式：

方式1) 关键字template <class T1，class T2, class T3 ··· >

方式2) 关键字template <typename T1, typename T2， typename T3···>

其中T1, T2, T3都是模板参数

cpp 复制代码 
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

③原理

模板本身并不是函数，只是一个模子，具体使用时编译器会根据实参类型将模板推演成函数，去之执行相关代码，因此之前需要我们做的事情交给编译器去完成了

④模板实例化

用不同类型参数使用模板称为模板的实例化(对比类的实例化---通过类创建出具体对象)

1）隐式实例化

编译器自动根据实参推演模板参数的类型

cpp 复制代码 
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	//以下代码均为隐式实例化
	Add(1, 2); 
	Add(1.1, 2.2);

	Add(1.1, 2);//(×) 传递参数不一致时,会报错,因为T也不知道该实例化成哪种类型

	//强制类型转化同一类型
	Add((int)1.1, 2);
	Add(1.1, (double)2);
}
2）显式实例化

在函数名后的<>中手动指定模板参数的实际类型

cpp 复制代码 
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	//显式实例化
	Add<int>(1, 2.2);
	Add<double>(1, 2.2);
}

⑤模板参数的匹配原则

  1. 一个非模板函数可以和同名函数模板同时存在，且函数模板还可以被实例化成这个非模板函数
cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
//非模板函数
void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
//函数模板
template<class T>
void Swap(T& left, T& right)
{
	T tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	Swap<int>(a, b); //函数模板会实例化成上面的非模板函数
}

2）对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件相同，在调用函数时会优先调用非模板函数;如果模板可以产生一个更好匹配的函数，那么选择模板

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template <class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	cout << "函数模板" << endl;
	return left + right;
}
//非模板函数
int Add(int left, int right)
{
	cout << "非模板函数" << endl;
	return left + right;
}
int main()
{
	Add(1, 2); //调用非模板函数
	cout << "------------" << endl;
	Add(1.1, 2); //函数模板实例化
}

3）模板函数不允许自动类型转化，但普通函数可以进行自动类型转换

cpp 复制代码 
void func(int a) 
{
	cout << a;
}
int main()
{
	func(1.1);//自动进行类型转换
}
cpp 复制代码 
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	Add(1.1, 2);//(×) 1.1不会自动转换成整形, 2也不会自动转换成浮点型
}

(2) 类模板

①格式：

与类函数是一样的，template <class T1， class T2， class T3···>

②模板实例化

类模板实例化需要在类模板名后面加上<>,将实例化类型写在<>即可

类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类

cpp 复制代码 
template<class T>
class Vector
{
public:
    Vector(size_t capacity = 10)
        : _pData(new T[capacity])
        , _size(0)
        , _capacity(capacity)
    {}

    size_t Size() { return _size; }

    T& operator[](size_t pos)
    {
        assert(pos < _size);
        return _pData[pos];
    }
private:
    T* _pData;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
};
int main()
{
    //Vector是类名, Vector<int>才是类型
    Vector<int> v1;
    Vector<double> v2;
}

③类模板的声明和定义分离

cpp 复制代码 
template<class T>
class Vector
{
public:
    Vector(size_t capacity = 10)
        : _pData(new T[capacity])
        , _size(0)
        , _capacity(capacity)
    {}

    // 使用析构函数演示:在类中声明，在类外定义。
    ~Vector();

    void PushBack(const T& data);
    void PopBack();
    // ...

    size_t Size() { return _size; }

    T& operator[](size_t pos)
    {
        //assert(pos < _size);
        return _pData[pos];
    }

private:
    T* _pData;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
};
//析构函数的定义
template<class T>
Vector<T>::~Vector()
{
    delete[] _pData;
    _pData = nullptr;
}
int main()
{
    Vector<int> v;
    v.PushBack(1);
    v.PushBack(1);
    v.PushBack(1);
    v.PushBack(1);
    return 0;
}

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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