C++学习笔记总结练习：动态内存管理实现

动态内存

1 C中动态内存的实现

概念

• c 语言主要是使用malloc / calloc / realloc 来进行内存申请的。

共同点

• 都是从堆上进行动态内存分配
• 释放内存都是需要使用free函数来释放
• 三者的返回值都是void*
• 都需要强制类型转换
• 都需要对申请出的空间判空(因为申请内存失败会返回空)

malloc

void *malloc( size_t size );

• malloc的参数是用户所需内存空间大小的字节数，不会对申请成功的内存初始化。
• malloc 申请空间时并不是需要多少就申请多少，而是会多申请一些空间，
  • 多申请一个32字节的结构体，里面对申请的空间进行描述，
  • 在申请的空间前后会各多申请 4 个字节的空间，这就是保护机制，当你操作不当越界了，这 8 个字节的内容会改变，操作系统会检查前后 4 个字节是否改变了，以此判断是否越界了。

calloc

void *calloc( size_t num, size_t size );

• calloc的参数：第一个：元素的个数，第二个：单个元素所占字节；会把申请成功的空间初始化为 0

realloc

void *realloc( void *ptr, size_t size );

• realloc的参数：第一个：地址，第二个：字节数。对于 realloc 的第一个参数：
  • 如果指向空，那么此时realloc 就和 malloc 是一样的；
  • 如果不为空，那么就将即将要申请的空间与原空间进行比较。
  • 如果要申请的空间比原空间小，就将原空间缩小，并返回原空间首地址
  • 如果要申请的空间比原空间大，那么分两种情况：
    • 第一种：新旧空间之差小于原空间大小，直接在原空间进行延伸，并返回原空间的首地址。
    • 第二种：新旧空间之差大于原空间的大小，那么直接开辟新空间，并将原空间的数据拷贝到新空间，并返回新空间首地址。

2 C++中动态内存的实现

特点

new申请的空间：

• 不用强制类型转换；
• 不用对申请出来的空间进行判空；
• 可以申请时初始化这段空间

申请与释放关系

malloc / free 
new / delete 
new[] / delete[]

• 对于内置类型：如果没有配合使用，可能不会出现什么问题。

• 对于自定义类型：

  • malloc：只是将空间动态开辟成功，并不会调用构造函数初始化空间。
  • free：只是将申请的空间进行释放，并不会调用析构函数清理对象中的资源
  • new：先将对象的空间开辟成功，然后调用构造函数完成对象的初始化。
  • delete：先调用析构函数将对象中的资源清理，然后释放对象占用的空间

• 如果对一个内部有资源的自定义类型使用 malloc 开辟内存，此时调用 delete 进行空间的释放，程序就会崩溃。因为 malloc 只负责开辟空间，并不会调用对象的构造函数对其成员变量进行初始化，那么内部的成员变量是没有分配空间的，当我们调用 delete 时，delete会先对对象进行资源清理，但是对象里的资源 malloc 并没有给其分配，所以我们清理的时候是非法的操作。导致程序崩溃。

• 对于内部有资源的自定义类型，使用 new 开辟的空间使用 free 释放，会造成内存泄漏，因为 free 并不会调用析构函数清理对象的资源，因此会造成资源泄漏。

new流程

1. 第一步：调用operator new() 来申请空间
   1. 申请空间成功：返回空间的首地址。
   2. 申请空间失败：检测用户是否提供空间不足的应对措施？如果提供应对措施，则执行应对措施，否则直接抛出 bad_alloc 类型的异常。
2. 第二步：调用该类的构造函数

new[]的流程

1. 第一步：调用void* operator new[](count = sizeof(T) * N + 4),如果T类的析构函数显式提供就多申请4个字节。（多申请的四个字节就是用来保存对象的个数，可以知道未来需要调用几次析构函数。）
2. 第二步：将空间前四个字节填充对象的个数，然后调用构造函数构造 N 个 T 类型对象。

delete的流程：

1. 第一步：调用析构函数清理对象中的资源。
2. 第二步：调用void operator delete(void* p)释放空间，void operator delete(void* p)中调用的是 free 释放空间。

delete[] 的流程：

1. 第一步：从第一个对象空间之前的4个字节中取对象的个数N
2. 第二步：调用N次析构函数倒着释放(栈的特性)
3. 第三步：void operator delete[](void* p)----这个p就是真正使用位置倒退4个字节的位置，也就是申请的空间的首地址。
4. 在这里operator delete[](void* p) 调用 void operator delete(void* p) 调用 free()

operator new 和 operator delete 实际上是由 malloc 和 free 来实现的，是对malloc 和 free 的封装。

3 对比

malloc/free 和 new/delete 区别：

• 共同点：都在堆上申请空间，都需要手动申请 / 释放空间。
• 不同点：
  1. malloc/free 是函数，new/delete是标识符
  2. malloc 不会对对象进行初始化，new 可以初始化
  3. malloc 申请空间时，需要手动计算需要申请空间的大小，而new只需在后面跟上类型，编译器会自动计算大小。
  4. malloc 返回值是 void*,使用时必须要强制类型转换，而 new 并不需要强制类型转换，因为new后跟的就是类型。
  5. malloc 申请空间失败返回 NULL，因此使用时必须判空，new不需要判空，但是需要捕获异常
  6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，并不调用构造/析构函数，而 new 是先申请空间，
     然后调用构造函数完成对象的初始化，delete 在释放空间前会先清理对象占用的资源。
  7. malloc/free 的效率会比 new/delete 的高，因为 new/delete 中封装的是malloc/free。