浅析C++内存管理（一）：new和delete

静态存储区、栈区和堆区

首先看一个简单的内存分配，用new操作符申请一个长度为5的整型数组。

int* p = new int[5];

等式右边在堆区申请长度为5的整型数组，new操作符返回数组的地址，并赋值给整型指针p，作为局部变量存放在栈区。这样简单的一条语句涉及到堆区和栈区，除此之外还有C++还包含静态存储区。那么，它们分别用来存储什么数据呢？

静态存储区（static）用于存储静态变量，包括局部静态变量（local static）和类静态数据成员。函数体外定义的全局变量也存放在这一内存区域。栈区（stack）用于存储任何在函数体内定义的非静态变量，包括函数参数、返回值等。静态存储区的内存对象在使用前创建，在程序所运行的进程退出时销毁；而栈区对象在离开定义时其所在的代码块前销毁。静态存储区和栈区的对象的创建和销毁都由编译器（compiler）控制，在静态编译期间就已经确定。

另外还有一块内存被称作堆区（heap）或者自由存储区（free storage），用于在程序运行期间动态分配内存，使用malloc或new进行分配。程序员需要自己去控制这些对象的生命周期，在对象不再被需要时显式销毁这些对象来回收内存，否则会造成内存泄漏。

在c语言时代，程序员通过函数malloc和free分配内存和释放内存。在C++时代，则通过操作符new和delete进行内存管理。C++11还提供了智能指针（smart pointer），防止出现内存分配方面的一些常见错误，使内存管理进一步智能化、安全化。

malloc和free的使用

void * malloc(size_t size);

函数malloc返回值的类型是void *，在调用malloc时要显式地将void * 转换成所需要的指针类型。malloc函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数，可以使用sizeof函数得到不同类型的总字节数。

void free( void * memblock );

函数free能释放内存。如果p是null指针，那么free对p无论操作多少次都不会出问题。如果p不是null指针，那么free对p连续操作两次就会导致程序运行错误。

new和delete的使用

操作符new

操作符new相当于是c语言malloc函数的升级版本，它内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。下面两条语句都是分配length长的int整型数组，new语句更简洁明了，

int *p1 = (int*) malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];

在用new为自定义类型的对象申请内存时，会根据new()内形参来判断调用对应的构造函数。如果用new创建对象数组，那么对象的无参数构造函数会默认被调用，如果未定义无参数构造函数，编译不通过。而且，如果堆区内存空间不够导致new失败，程序会抛出bad_alloc异常。

操作符delete

操作符delete用于销毁对象并释放内存，对象的析构函数会被调用。传递给delete的指针那么是new生成的指向动态内存的指针，要么是null指针。delete同一个指针两次，会发生运行时错误。

delete数组时使用delete[] ptr。

new/delete陷阱

虽然操作符new比函数malloc使用起来要方便许多，但还是存在不少使用陷阱。典型的很容易犯的错误有：

1.内存泄漏。程序在使用完通过new动态申请的内存以后忘记了要用delete释放，或者因为出现exception而没有正确执行delete，都会使得内存在足够长的使用时间后被耗尽导致程序错误。

void f()
{
    int *ip = ne int(42);   //dynamically allocate a new object
                            //code that throws an exception that is not caugth inside f
    delete ip;             //return the memory before exiting
 }

2.delete两次。假若动态内存成功申请返回的指针被赋值给两个不同的指针变量，它们分别被传递给delete操作符，在第一个指针被delete时，所指向的内存被回收，另外一个指针被delete将导致程序运行错误。

3.悬挂指针（dangling pointer）。指向动态分配内存的指针被delete后，其指向的内存被回收，此时该指针指向无效的内存地址，相当于指针未被初始化。可以强制将悬挂指针赋值nullptr，指明该指针没有指向任何对象。

上述这些错误不止初级程序员会犯，在大型项目团队合作开发时，即使有经验的程序员也会遇到，而且一旦出现其中一个问题，如果发生在生产环境那损失可能是巨大的，比如程序在运行时崩溃。内存泄漏要求程序能够保证new和delete成对使用，即使中间出现exception，也要确保delete能够正确执行。C++语言机制中，构造函数和析构函数是保证会成对出现的，自然而然地想到可以把new放在构造函数中，而把delete放在析构函数中，那么就可以一劳永逸地避免内存泄漏的问题了。

delete两次这个问题，需要我们能够统计指针被引用的次数，在引用计数（reference count）为零时，主动销毁指针对象，从而避免被两次delete。引用计数同时解决了悬挂指针的问题。

C++11的智能指针实现的基本思想就是使用了析构函数以及引用计数。具体实现参见本系列第二篇《浅析C++内存管理（二）：如何实现shared_ptr？》