C++——内存分配与动态内存管理

专栏导读

作者简介：花想云，在读本科生一枚，致力于 C/C++、Linux 学习。

本文收录于 C++系列，本专栏主要内容为 C++ 初阶、C++ 进阶、STL 详解等，专为大学生打造全套 C++ 学习教程，持续更新！

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文章导读

本章我们将学习C++的内存分配与动态内存管理。理解new/delete的用法与实现的原理，并简单了解定位new表达式。

C/C++内存分布

在C语言阶段，我们已经学习过内存分布，认识了什么是堆、堆栈、静态区、常量区等。如下图：

我们再次认识一下这几个区域：

• 栈：又叫堆栈，主要存放非静态局部变量、函数参数、返回值等等，栈是向下增长的；
• 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系列文章中有讲解）；
• 堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的；
• 数据段：存储全局数据和静态数据；
• 代码段：存储可执行的代码与只读常量；

牛刀小试

我们可以通过以下测试例题来检验自己是否还清晰的记得C语言内存分配的知识。

测试例题

#include
#include
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);
}

1. 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？____ staticGlobalVar在哪里？____
   staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
   num1在哪里？____

   char2在哪里？____ *char2在哪里？___
   pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____
   ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____

2. 填空题：
   sizeof(num1) = ____; sizeof(char2) = ____;
   strlen(char2) = ____; sizeof(pChar3) = ____;
   strlen(pChar3) = ____;sizeof(ptr1) = ____;

答案
从左至右，从上至下给出：

CCCAA AAADAB 40 5 4 4/8 4 4/8

C语言动态内存管理

C语言动态内存管理在我之前的文章中已经详细介绍过，链接如下：

• C语言动态内存管理与柔性数组

---

C++动态内存管理

C++在C语言的基础上引进了新的动态内存管理的方式——通过new和delete操作符进行动态内存管理。

对于内置类型

对于内置类型。new/delete与malloc/free几乎是一样的。

• 动态申请一个int类型的空间；

	//int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)); //C
	int* p1 = new int;  //C++

• 动态申请一个int类型的空间并初始化为10；

	int* p2 = new int(10);
	cout << *p2 << endl;

• 动态申请10个int类型的空间;

	int* p3 = new int[10];

• 释放空间

	//free(p1) //C
	//释放单个元素的空间
	delete p1;
	delete p2;
	//释放多个元素的空间
	delete[] p3;

对于自定义类型

对于自定义类型，new/delete与malloc/free的最大区别是 new/delete对于自定义类型除了申请/释放空间还会调用对应的构造函数与析构函数。

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

• malloc与free

	A* p4 = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(p4);

• new与delete

	A* p5 = new A;
	delete p5;

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。

那么operator new与operator delete又是什么呢？

• operator new其实是对malloc进行封装后的产物；

之前我们使用malloc函数申请空间时，有非常重要的一点就是要对malloc申请的结果做检查。如果malloc申请失败会返回空指针。

示例1

	int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (a == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

每次都要对返回值进行检查，未免感到有点麻烦。在C++中，系统通过对malloc申请与检查的工作进行封装推出了operator new函数。当operator new申请空间失败时，会通过抛异常（之后会将）的方式告诉用户。

示例2

	// 失败了抛异常
	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int*));

• operator delete作用与free相同；

示例3

	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int*));
	operator delete(p1);

new与delete的实现原理

对于内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new/malloc与delete/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；
• new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

对于自定义类型

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. 在申请的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. 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
3. 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；
4. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间；

对于调用析构函数的理解

有的小伙伴可能并不清楚为什么要执行析构函数再执行operator delete函数，请思考一下，二者的操作对象是同一个空间吗？

答案：

• 析构函数是对象调用的，目的是清理对象内部申请的资源（例如：动态开辟的数组、自定义类型的变量等）；
• operator delete是用来释放存储对象所在的空间。

通俗的理解就是：我申请了一块空间A，并将A的地址交给指针变量P保存，A里面存储了一个对象。但是对象内部又申请了一块空间B，B里面存储了一些其它的数据。当我们delete p时，不能直接释放A，因为A里面存储的对象又申请了一块空间B，我们得首先释放B，不然B就无法释放了。释放B需要对象来调用它的析构函数，B成功的释放了，接下来释放A，调用operator delete来释放A。

示例

定义一个栈类：

class stack
{
public:
	stack()
		:_size(0),
		_capacity(0)
	{
		_a = new int[10];
		cout << "stack()" << endl;
	}
	~stack()
	{
		cout << "~stack()" << endl;
	}
private:
	int* _a;
	int _size;
	int _capacity;
};

new一个对象并释放：

void Test()
{
	stack* ps = new stack;
	delete ps;
}

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。

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

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

void Test5()
{
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));// 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
	new(p1)A; //注意：如果A的构造函数有参数时需要传参new(p1)(参数列表)
	p1->~A();
	free(p1);


	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
}

总结

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：

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；

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