C++奇迹之旅：C++内存管理的机制（进阶篇）

啊森要自信2024-05-03 13:20

文章目录

📝new和delete操作自定义类型

我们先看malloc与free，调试可以发现并不会调用析构函数

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{

	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p1);
	
	return 0;
}

再看new和delete

cpp 复制代码 
A* p2 = new A(1);
delete p2;

总结：
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

而对于内置类型几乎是一样的

cpp 复制代码 
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;

这是汇编一览图：

此时多出来了一个operator new这是什么，为什么new会去调用operator new？

bash 复制代码 
00482C36    call   operator new(048114Ah )

🌠 operator new与operator delete函数

🌉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。

cpp 复制代码 
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 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。

cpp 复制代码 
// 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;

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

cpp 复制代码 
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

cpp 复制代码 
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

如抛异常例子：

cpp 复制代码 
double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}

void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}

int main()
{
	try 
	{
		Func();
	}
	catch(const char* errmsg)
	{
	//当 Division(len, time) 函数抛出这种异常时,异常对象会被赋值给 errmsg 变量。
//然后,这个 catch 块会输出 errmsg 的内容,即 "Division by zero condition!"
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
	//这个 catch 块用于捕获任何其他类型的未知异常。
//当 try 块中发生任何其他类型的异常时,这个 catch 块会被执行。
//它会输出 "unkown exception"。
		cout << "unkown exception" << endl;
	}
	
	return 0;
}

当你输入两个数让b == 0时程序抛异常，抛出"Division by zero condition!"他不会再回到Func()函数中的cout << Division(len, time) << endl;而是会跳到catch(const char* errmsg)中，异常对象会被赋值给 errmsg 变量。然后,这个 catch 块会输出 errmsg 的内容,即 "Division by zero condition!"，程序结束。

总结：

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

🌠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. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

    delete的原理
  3. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  4. 调用operator delete函数释放对象的空间
cpp 复制代码 
class Stack 
{
public:
    // 构造函数
    Stack(int initialCapacity = 10) 
        : _a(new int[initialCapacity])
        , _top(0)
        , _capacity(initialCapacity) 
    {}

    // 析构函数
    ~Stack() 
    {
        delete[] _a;
    }

    // 压入元素
    void push(int value) 
    {
        // 如果栈已满,需要扩容
        if (_top == _capacity) 
        {
            resize(2 * _capacity);
        }
        // 将元素压入栈顶
        _a[_top++] = value;
    }

    // 弹出栈顶元素
    int pop() 
    {
        // 如果栈为空,抛出异常
        if (_top == 0) 
        {
            throw runtime_error("Stack is empty");
        }
        // 弹出栈顶元素并返回
        return _a[--_top];
    }

    // 判断栈是否为空
    bool empty() const 
    {
        return _top == 0;
    }

    // 返回栈中元素的个数
    int size() const 
    {
        return _top;
    }

private:
    // 扩容函数,分配新的数组空间并移动元素
    void resize(int newCapacity) 
    {
        // 分配新的数组空间
        int* newArray = new int[newCapacity];
        // 使用 std::move 将原数组中的元素移动到新数组中
        move(_a, _a + _top, newArray);
        // 释放原数组空间
        delete[] _a;
        // 更新数组指针和容量
        _a = newArray;
        _capacity = newCapacity;
    }

    // 存储元素的数组指针
    int* _a;
    // 栈顶元素的索引
    int _top;
    // 数组的容量
    int _capacity;
};

int main() 
{
    // 创建一个栈
    Stack* p3 = new Stack;
    // 释放栈的内存
    delete p3;

     压入三个元素
    //p3->push(1);
    //p3->push(2);
    //p3->push(3);
     依次弹出并打印元素
    //while (!p3->empty()) 
    //{
    //    cout << p3->pop() << " ";
    //}
    //cout << endl;
    return 0;
}

先析构_a指向的空间，再释放p3指向的空间

new T[N]的原理

  1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申
    请
  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

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A[10];

	delete p1;
	delete[] p2;

	return 0;
}

A类只有一个4字节大小的int成员变量。那么,创建一个A类型的对象应该需要4字节的内存空间。A* p2 = new A[10];这我们动态创建了一个包含10个A对象的数组。10 * 4 = 40 bytes，为什么是44bite呢？

在动态分配数组内存时,编译器通常会在实际的数组内存之前分配一些额外的空间,用于存储数组的元素个数等信息。这样做的目的是为了在执行delete[]操作时,能够正确地调用所有元素的析构函数。

总结：都开4byte存储对象个数，方便delete[]时，知道有多少个对象，要调用多少次析构函数

内置类型就没有额外开空间：

因为，内置类型已经固定好，无需调用析构函数

cpp 复制代码 
int* p3 = new int[10];
delete[] p3;

🌠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：

cpp 复制代码 
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。

cpp 复制代码 
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;
}
cpp 复制代码 
 A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

使用malloc()函数分配了一块与A类对象大小相同的内存空间，但此时p1指向的只是一块内存空间,还不是一个真正的A对象,因为A的构造函数还没有被调用。

cpp 复制代码 
new(p1)A;

使用"定位new"的语法在已分配的内存空间上构造一个A对象。如果A类的构造函数有参数,需要在这里传入参数,例如new(p2)A(10);。

cpp 复制代码 
 p1->~A();

显式地调用A对象的析构函数,释放对象占用的资源。

cpp 复制代码 
 free(p1);

free()函数释放之前使用malloc()分配的内存空间。

🚩总结

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