详解C&C++内存管理（new和delete）

写在前面

本篇文章先讨了C/C++程序中的内存分布，并简单介绍了各个内存段的作用和特点。在此基础上，又着重讨论了C语言和C++语言中的动态内存管理方式，包括malloc()、free()等C语言函数以及new和delete等C++语言操作符。进一步探讨了operator new和operator delete函数在C++中的作用和使用方式，并揭示了new和delete的实现原理。最后，对定位new表达式（placement-new）进行了解析，介绍了它在特定场景下的应用及实现原理。

1. C&C++内存分布

上面图片介绍了C/C++程序中的内存分布，并详细介绍了各个内存段的作用和特点。
下面我们通过一段代码和相关问题，来深入理解C/C++程序中的内存分布。

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
 static int staticVar = 1;
 int localVar = 1;
 int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
 char char2[] = "abcd";
 const char* pChar3 = "abcd";
 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
 free(ptr1);
 free(ptr3);
/* 1. 选择题：
   选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
   globalVar在哪里？__c__   staticGlobalVar在哪里？__c__
   staticVar在哪里？__c__   localVar在哪里？__a__
   num1 在哪里？__a__
   
   char2在哪里？____       *char2在哪里？___
   pChar3在哪里？____      *pChar3在哪里？____
   ptr1在哪里？____        *ptr1在哪里？____
2. 填空题：
   sizeof(num1) = ____;  
    sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
   sizeof(pChar3) = ____;      strlen(pChar3) = ____;
   sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？
}*/

2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free的详细介绍，有兴趣的读者可以参考之前写的文章：动态内存管理（malloc calloc realloc free）— C语言[点击蓝色字体跳转]，这里就不在赘述。

3. C++内存管理方式（语法）

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。例如：在C语言中使用 malloc 和 free 进行内存分配和释放时，需要手动计算申请内存空间的大小，并且需要对返回值进行强制类型转换，容易出错。

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。在C++中，它们不仅可以用于内置类型（例如 int、double 等），还可以用于自定义类型（例如类、结构体等）。下面我们来一一介绍。

3.1 new/delete操作内置类型

int main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* pa = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* pb = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* nums1 = new int[10];
	// 动态申请10个int类型的空间,并用{1, 2, 3, 4}初始化，不完全初始化，剩下的默认初始化为0。
	int* nums2 = new int[10] {1, 2, 3, 4};

	delete pa;
	delete pb;
	delete[] nums1;
	delete[] nums2;

	return 0;
}

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

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

int main() 
{
	//malloc 和 new 最大的区别是对于自定义类型除了会开空间以外，new 还会调用构造函数完成对对象的初始化
	A* pa1 = new A;
	A* pa2 = (A*)malloc(sizeof(A));

	//free 和 delete 最大的区别是对于自定义类型除了会释放空间以外，还会调用析构函数来完成对对象中资源的清理
	delete pa1;
	free(pa2);

	return 0;
}

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。 new/delete 和 malloc/free对于内置类型 是几乎是一样的，只是用法不同罢了。

4. new和delete的实现原理

4.1 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。

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。operator delete 最终是通过free来释放空间的。
operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，因此可以显示的调用，平常不会这样使用（了解）。

4.2 实现原理

4.2.1 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：

1. new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请和释放的是连续空间。
   

2. new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
   

4.2.2 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。
   

5. 定位new表达式(placement-new)(了解)

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。

至此，本片文章就结束了，若本篇内容对您有所帮助，请三连点赞，关注，收藏支持下。

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