【C++】内存管理（下）

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目录

一、C++内存管理方式

[1.1、new / delete操作内置类型](#1.1、new / delete操作内置类型)

[1.2、new / delete操作自定义类型](#1.2、new / delete操作自定义类型)

[二、operator new与operator delete函数](#二、operator new与operator delete函数)

[三、new / delete的实现原理](#三、new / delete的实现原理)

3.1、内置类型

3.2、自定义类型

四、定位new表达式(placement-new)（了解）

[五、malloc / free和new / delete的区别](#五、malloc / free和new / delete的区别)

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一、C++内存管理方式

1.1、new / delete操作内置类型

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。

int main()
{
	//C语言中的动态内存开辟
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	cout << p2 << endl;
	cout << p3 << endl;

	//C语言中的释放内存空间
	free(p3);

	//C++中的动态内存开辟
	int* p5 = new int;     //单个对象
	int* p6 = new int[10]; //数组

	//他们默认是不会初始化，想初始化需要加入以下操作:
	int* p7 = new int(5);             //单个对象
	int* p8 = new int[10] {1, 2, 10}; //数组
	//前三个值初始化为1,2,10,剩下的默认给0

	//C++中的释放空间
	delete p5;   //单个对象
	delete[] p6; //多个对象
	delete p7;   //单个对象
	delete[] p8; //多个对象
}

我们来调试看看结果：

我们可以简单理解为new涵盖了malloc和calloc的所有功能，并且更加强大便捷，但是C++中并没有可以替代realloc的关键字，所以以后数据结构中我们需要扩容还是需要使用realloc。

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 [ ]，要匹配起来使用。

1.2、new / delete操作自定义类型

我们会发现对于内置类型其实malloc和new用起来其实差不多，C++中的new其实主要是为了来解决类类型的问题（自定义类型）

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

//C++中创建链表
struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;

	ListNode(int val)
		:_next(nullptr)
		,_val(val)
	{ }
};

int main()
{
	// 只开空间，不调用构造初始化
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

	// new除了开空间，还会调用构造函数初始化
	// new[]会多次调用构造
	A* p2 = new A;
	A* p3 = new A(10);

	// delete会调用析构
	// delete[]会多次调用析构
	delete p2;
	delete p3;

	ListNode* n1 = new ListNode(1);
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);

	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。

二、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,
             否则抛异常。
*/
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)

operator new实际上就是对malloc的封装，成功的话就是malloc，失败了则会抛异常；

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。

三、new / delete的实现原理

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 [ ] 申请和释放的是连续空间，而且 new 在申请空间失败时会抛异常，malloc 会返回 NULL。

3.2、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

  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 [ ] 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

四、定位new表达式(placement-new)（了解）

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;
}

五、malloc / free和new / delete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：
malloc / free和new / delete的不同点是（我们分为用法、核心特性、原理 三个部分）：

用法：

• 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
• 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
• 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

核心特性：

• malloc 和 free 是函数，new 和 delete 是操作符
• malloc 申请的空间不会初始化，new 可以初始化

原理：

• 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

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