C++——内存管理

目录

C/C++内存分布

C++内存管理方式

new/delete操作内置类型

new和delete操作自定义类型

new失败

operator new与operator delete函数

new和delete实现原理

内置类型

自定义类型

定位new

常见问题

malloc/free和new/delete的区别

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C/C++内存分布

1. 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 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，这在后面也会讲解。
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段--存储全局数据和静态数据。
5. 代码段--可执行的代码/只读常量。

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C++内存管理方式

        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。new和delete不是函数，而是操作符。

new/delete操作内置类型

// C申请int
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
// C++申请int
int* p2 = new int;
// C++申请数组
int* p3 = new int[5];
// C++申请int对象，初始化为1
int* p4 = new int(1);
// C++98不支持对数组初始化，C++11才支持new[]{}初始化
int* p5 = new int[5]{1,2,3}; // 剩余位补0

// C释放
free(p1);
// C++释放，要匹配括号
delete p2;
delete[] p3;
delete p4;
delete[] p5;

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，注意：匹配起来使用。

new和delete操作自定义类型

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {}
    ~A()
    {}
private:
    int _a;
};

int main()
{
    // C，只申请了空间，没有初始化
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    if (p1 == nullptr)
    {
        perror("malloc fail");
        return 0;
    }
    free(p1); // 释放空间
    
    // C++，可以调用构造函数初始化，
    A* p2 = new A;

    delete p2; // 调用析构函数清理对象中的资源，释放空间
}

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。所以C++中new和delete是为了自定义类型准备的。还有一定要匹配使用，new对delete，new[]对delete[]。

new失败

// C失败返回NULL
char* p1 = (char*)malloc(1024u*1024u*1024u*2-1); // 申请一块特大
printf("&p\n", p1); // 这里是直接打印NULL的地址

// C++失败会抛异常，所以不用检查返回值，那么何为异常也要等到后面再讲解
char* p2 = new char[1024u*1024u*1024u*2-1];

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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。注意，这里的operator并不是运算符重载。

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);
}

        这是一部分源码，底层还是调用了malloc，封装了malloc是为了符合C++new失败抛异常的机制。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。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

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new和delete实现原理

虽然前面已经说过了new和delete的用法，下面这个模块也会系统的说明一下

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。

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自定义类型自己的构造函数，完成对象的构造

• delete的原理

1. 在空间上执行自定义类型自己的析构函数，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[]函数释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

【注意】：虽然调用了operator new[]，但还是去调用了operator new，然后再去调用malloc。

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定位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，就是一个对象空间已经被开出来了，想要对它初始化。

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

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        : _a(a)
    {}
    ~A()
    {}
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    if (p1 == nullptr)
    {
        perror("malloc fail");
    }
    new (p1)A;
    // new (p1)A(10); 也可以给参数

}

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常见问题

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。

不同点是：

语法使用区别：

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。

本质功能上的区别：

1. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，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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        这一章的知识就分享到这里，虽然这一篇文章很短，但是在后面的学习中会看到它的重要性的，毕竟还有一些小细节需要等到后面的时候才能讲解。