C++知识整理day4内存管理——new和delete详解

孙同学要努力2024-12-08 7:02

文章目录

  • 1.C/C++内存分布
  • 2.C语言中动态内存管理：malloc/realloc/calloc
  • 3.C++内存管理方式
    • [3.1 new/delete操作内置类型](#3.1 new/delete操作内置类型)
    • [3.2 new和delete操作自定义类型](#3.2 new和delete操作自定义类型)
  • 4.malloc/free和new/delete到底什么区别？
    • [4.1 对于自定义类型](#4.1 对于自定义类型)
    • [4.2 对于自定义类型](#4.2 对于自定义类型)
    • [4.3 总结：它们的区别](#4.3 总结：它们的区别)
  • 5.补充
    • [5.1 难道new[]必须和delete[]搭配使用吗？](#5.1 难道new[]必须和delete[]搭配使用吗？)
    • [5.2 operator new与operator delete函数](#5.2 operator new与operator delete函数)
    • [5.3 new和delete的实现原理](#5.3 new和delete的实现原理)
      • [5.3.1 内置类型](#5.3.1 内置类型)
      • [5.3.2 自定义类型](#5.3.2 自定义类型)
    • [5.4 定位new表达式(placement-new)](#5.4 定位new表达式(placement-new))

1.C/C++内存分布

我们先来看如下一段代码：

cpp 复制代码 
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
static int staticVar = 1;
int localVar = 1;
int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
char char2[] = "abcd";
const char* pChar3 = "abcd";
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
free(ptr1);
free(ptr3);
}

Q1：选择题

选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

globalVar在哪里？C

staticGlobalVar在哪里？C

staticVar在哪里？C

localVar在哪里？A

num1 在哪里？A

Q2：

char2在哪里？A

*char2在哪里？A

pChar3在哪里？A

*pChar3在哪里？D

ptr1在哪里？A

*ptr1在哪里？B

对于Q1比较简单，Q2少有难度，我们先看如下解释：

  1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
  2. . 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。（Linux知识点）
  3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  4. 数据段--存储全局数据和静态数据。
  5. 代码段--可执行的代码/只读常量。

来分析一下Q2，对于char2，它是一个普通字符串（不是常量字符串，本人当时搞混了），"abcd"应该是存放在栈当中的，char2应该是首元素字符a的地址，所以char2是被存放到栈当中的，其中内容应该是字符a的地址，所以说char2是在栈当中的。对于 *char2 它是对地址的解引用也是在栈当中。

注意对于pchar3：const char* pChar3 = "abcd";const修饰的是 * pchar3，不是char3，说明pchar3指向的内容是不允许修改的，并不是指针pchar3不可以改变指向。

其他就都很简单啦。

2.C语言中动态内存管理：malloc/realloc/calloc

cpp 复制代码 
void Test ()
{
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 2.这里不需要free(p2)
free(p3 );
}

可以详细看这篇博客：C语言动态内存开辟

3.C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，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。

3.1 new/delete操作内置类型

示例：

cpp 复制代码 
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，也可以初始化
int* ptr6 = new int[3]{1, 2, 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。

3.2 new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;

	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

4.malloc/free和new/delete到底什么区别？

4.1 对于自定义类型

对于自定义类型，malloc和new本质上是没有任何区别的，只不过在开创内存失败的时候，malloc需要我们手动来写个判断条件，看开辟的内存是否成功，而new会给我们抛一个异常，我们来解释一下抛异常概念：

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

	return 0;
}

int main()
{
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;

		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (const string& s)
	{
		cout << s << endl;
	}

	return 0;
}

虽然堆区是很大的，但是当我们开辟的空间太大时，也可能会报错，我们来看malloc和new的区别：

new方式：（这里电脑太卡了，截图没有保存到）

cpp 复制代码 
void func()
{
	int i = 1;
	while (1)
	{
		int* p1 = new int[1024 * 1024 * 1024];//每次开辟1GB
		cout << i << "->" << p1 << endl;
		i++;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const std::exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

我的电脑大概跑了12次，也就是堆区大概有12G的空间，之后会报bad alloction。可惜的是截图没有截到，不能在跑了，太卡了。

对于malloc方式，我们必须手动写判断语句，不然程序直接崩溃。

4.2 对于自定义类型

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a1 = 0, int a2 = 0) //构造函数
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A()" << this << endl;
	}
	~A() //析构函数
	{
		cout << "~A()" << this << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

int main()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1, 1);
	free(p1);
	delete(p2);

	//A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10); 
	//第一种初始化方式
	//A a1(1), a2(2), a3(3);
	//A* p6 = new A[3]{a1, a2, a3};
	//A a1 = { 1,1 };
	//第二种初始化方式：注意必须要用花括号括起来
	//A* p6 = new A[10]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };
	//A* p6 = new A[10];
	//free(p5);
	//delete[] p6;

	return 0;
}

4.3 总结：它们的区别

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释放

5.补充

5.1 难道new[]必须和delete[]搭配使用吗？

看这张图片，我们new了一个数组，却是用delete并不是delete[]，也没有报错，是因为delete本质上其实就是free，在以前我们malloc开辟数组的时候，也只需要free他的首地址就可以了，这里是一样的道理，但是我们推荐写delete[]，这样浅显易懂，知道我们开辟的是数组。

看，上面就报错了。

Q：我们可以发现一件事情，为什么程序在执行完第一个析构函数后就崩溃了呢？

A：这里就不得不提一下new[]的原理了，其实，使用new[]，系统用会帮助我们再开辟四个字节的地址，放在指针p的前面，他主要的作用就是记录我们开辟了多少了自定义类型A，目的是为了之后析构，不然他不知道析构多少次，这也就是为什么在第一个析构函数制之后崩溃，就是因为程序不知道要析构几次。所以这里就必须要写上delele[]，就是记录了开辟多少个自定义类型A。

5.2 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。

这里有一段他们底层的代码，我们就不看了，我们直接记下结论：

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。

5.3 new和delete的实现原理

5.3.1 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。

5.3.2 自定义类型

  • new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 A[N]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

5.4 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。

示例：

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));
	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(); // 不支持
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);

	return 0;
}
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