【C++】内存管理
C语言中有malloc、calloc、realloc、free等一系列函数来实现动态内存的管理，但是到了C++中有更加实用的new和delete来进行内存管理，下面我们来一起学习：
目录
一、C++中的内存分配
二、C++中的内存管理
2.1 new和delete操作符的使用
2.1.1 使用new和delete操作内置类型
2.1.2 new和delete操作自定义类型
三、operator new与operator delete函数
四、new和delete的实现原理
4.1 内置类型
4.2 自定义类型
五、定位new表达式(placement-new)
六、malloc/free和new/delete的区别
一、C++中的内存分配
C++的内存分配和C语言是一样的，不熟悉的同学可以看下面这篇博客的前半段：
柔性数组的详解及C/C++内存分配区域的划分解析_柔性数组内存布局_1e-12的博客-CSDN博客
二、C++中的内存管理
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
2.1 new和delete操作符的使用
2.1.1 使用new和delete操作内置类型
对于非数组类型的内置类型的空间具体申请方法为：
内置类型关键字* 指针变量名 = new 内置类型关键字
对于数组类型的内置类型的空间具体申请方法为：
内置类型关键字* 指针变量名 = new 内置类型关键字[所要申请的个数]
对于非数组类型的内置类型所申请空间的具体释放方法为：
delete 所管理动态空间指针的变量名
对于数组类型的内置类型所申请空间的具体释放方法为：
delete[ ] 所管理动态空间指针的变量名
下面是举例：
//申请空间
int* p1 = new int;//动态申请一个int类型大小的空间
char* p2 = new char;//动态申请一个char类型大小的空间
int* p3 = new int[10];//动态申请十个int类型大小的空间
//释放空间
delete p1;//释放p1所指向的空间
delete p2;//释放p2所指向的空间
delete[] p3;//释放p3所指向的空间在默认情况下，我们使用new开辟的空间不会初始化空间的数据，当然在new申请空间时还可以这样进行初始化：
对于非数组类型的内置类型的空间具体初始化方法为：
内置类型关键字* 指针变量名 = new 内置类型关键字(所要初始化的值)
对于数组类型的内置类型的空间具体初始化方法为：
内置类型关键字* 指针变量名 = new 内置类型关键字[所要申请的个数]{所要初始化的值}
下面是演示：
void Test1()
{
//申请空间
int* p1 = new int(999);//动态申请一个int类型大小的空间,并初始化为999
char* p2 = new char('6');//动态申请一个char类型大小的空间,并初始化为'6'
int* p3 = new int[5] {1, 2, 3, 4, 5};//动态申请五个int类型大小的空间，并依次初始化为1,2,3,4,5
cout << *p1 << " " << *p2 << endl;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
cout << *(p3 + i) << " ";
}
//释放空间
delete p1;//释放p1所指向的空间
delete p2;//释放p2所指向的空间
delete[] p3;//释放p3所指向的空间
}
我们可以看到我们很好的开辟并初始化了空间
2.1.2 new和delete操作自定义类型
对于自定义类型new和delete的使用方法和内置类型时一样的：
但是要注意：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。
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _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;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
return 0;
}运行结果：
三、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在底层通过调用operator delete全局函数来释放空间
我们下面来看看这两个函数的代码：
/*
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)
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（所以我们在使用new操作符并不需要检查内存是否开辟成功）。operator delete 最终是通过free来释放空间的。
四、new和delete的实现原理
4.1 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。
4.2 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[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
下面我们对于一个举个例子来看看：
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = new A[10];
delete[] p;
return 0;
}
我们可以看到程序运行是正常的，再来看看下面：
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = new A[10];
delete p;
return 0;
}
结果奔溃了，大家肯定会说这是肯定的啊，不应该使用delete[]吗，别着急我们继续向下看：
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = new A[10];
delete p;
return 0;
}
咦？删除析构函数居然运行成功了，再来看看下面这个：
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = new A[10];
free(p);
return 0;
}
这样可以运行成功？这是为什么呢？
答案是在vs编译器环境下，我们在含有析构函数时，编译器会多开一些空间来存储new开辟空间的个数：
这个多开辟的空间储存的数据是为了告诉delete[]操作符需要调用多少次析构函数，在delete[]操作符调用所需次析构函数结束后，会将多开辟的空间和真正所需要的空间一起释放
而在使用delete操作符时会直接释放p指针所指向之后的空间，而编译器多开辟的空间并未释放，这样子程序就直接崩溃了。
在我们删除析构函数后，编译器认为默认生成的析构函数调不调用无所谓，所以不会多开辟空间来存储new开辟空间的个数，这样子我们使用delete操作符甚至是free函数直接释放p指针所指向的空间是不会崩溃的。
从这个例子我们可以看出delete[]、delete、free不要混着使用，和开辟空间的方法配套使用才可以避免不需要的风险！
五、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
在这里我们要提一下内存池，在我们使用malloc函数开辟空间时该函数会在内存池寻找空间来开辟（在内存池中开辟空间的效率要优于在堆中开辟），内存池中空间不满足需求时才会去堆中开辟，而new操作符会直接在堆中开辟空间并不会在内存池中寻找空间。
我们下面来举例：
class A
{
public:
A(int a = 10)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
void Print()
{
cout << _a << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
p->Print();
new(p)A(8);//调用构造函数，初始化值为8
p->Print();
p->~A();//调用析构函数
free(p);
return 0;
}
根据上面的运行结果我们可以看到使用定位new表达式很好的在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化了p所指向的对象。
六、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
本期博客到这里又要和大家说再见啦，欢迎大家在评论区指正
我们下一期见~