【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newdelete操作符进行动态内存管理

2.1 newdelete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
}

【C++】内存管理_第1张图片

 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: 

【C++】内存管理_第2张图片

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;
}

【C++】内存管理_第3张图片

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;
}

【C++】内存管理_第4张图片

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;
}

【C++】内存管理_第5张图片

 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;
}

【C++】内存管理_第6张图片

 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:

【C++】内存管理_第7张图片

 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;
}

【C++】内存管理_第8张图片

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~ 

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