探索C++内存管理

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1.0 回顾C语言的内存管理

1.1 内存分解图

栈：存储函数调用时的局部变量、参数、返回地址等，遵循后进先出原则，由编译器自动管理，向下增长。 堆：供程序员手动动态分配内存，通过特定函数申请和释放，向上增长。 数据段：存放全局数据、静态数据，分已初始化和未初始化部分，用于存储程序运行中需持久保存的数据。 代码段：存放可执行代码和只读常量，具有只读属性，保障程序代码在运行时不被随意篡改。

1.2 C语言中的内存管理

malloc 函数：void* malloc (size_t size); 功能：在堆上动态分配指定大小的内存空间。 参数：size为要分配的字节。 返回值：若分配成功，返回指向分配内存起始位置的指针，失败返回NULL。 calloc 原型：void* calloc(size_t num, size_t size); 功能：在堆上分配指定数量和大小的元素所需的内存空间，并将其初始化为零。 参数：num为元素数量，size为每个元素的字节数。 返回值：若分配成功，返回指向分配内存起始位置的指针；若失败，返回NULL。 realloc 原型：void* realloc(void* ptr, size_t size); 功能：调整前分配的内存块大小。可以扩大或缩小该内存块。 参数：ptr是指向先前分配内存块的指针，size是新的内存块大小。 返回值：若分配成功，返回指向新内存块的指针；若失败，返回NULL，原内存块不会被释放。 free 原型：void free(void* ptr); 功能：释放由malloc、calloc或realloc分配的内存空间。 参数：ptr是指向要释放的内存块的指针。 返回值：无。

这里简单说一下，具体的可以看C语言的内存管理

2.0 C++内存管理方式

在 C 语言中，我们使用malloc、calloc等函数动态申请内存，再用free函数释放，这种方式需要开发者手动管理内存生命周期，稍有不慎就容易出现内存泄漏或非法访问的问题。而 C++ 在继承 C 语言内存管理方式的同时，引入了new和delete操作符，它们能自动调用对象的构造函数和析构函数，简化了内存管理流程。

2.1 new/delete操作内置类型

new可以申请单个元素也可以申请数组，接下来看代码操作。

void test1()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间，并初始化为1
	int* ptr2 = new int(1);
	//动态申请一个int类型数组空间。
	int* ptr3 = new int[10];
	//动态申请一个int类型数组空间,并初始化1，2，3，4剩下的为0
	int* ptr4 = new int[10] {1,2,3,4};

	//释放单个元素空间
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	//释放数组空间
	delete[] ptr3;
	delete[] ptr4;
}

注意：内存管理时，申请和释放单个元素用 new 和 delete，申请和释放连续空间用 new[] 和 delete[]，务必匹配使用。

2.2 new/delete操作自定义类型

new/delete对内置类型和自定义类型的初始化是有所区别的，接下来看看代码。

class QQ
{
public:
	QQ(const int qq1 = 1)
		:_qq1(qq1)
	{	
		cout << "QQ(const int qq1 = 1)"<< endl;
	}

	~QQ()
	{
		cout << "~QQ()" << endl;
	}
private:
	int _qq1;
};
void test2()
{
	//无参，默认初始化为1
	QQ* p1 = new QQ();
	//采用匿名对象初始化
	QQ* p2 = new QQ(QQ(2));
	//用隐式类型转换初始化
	QQ* p3 = new QQ[5]{1,2,3,4};

	//释放单个对象内存
	delete p1;
	delete p2;
	//释放对象数组内存
	delete[] p3;
}

通过上述的代码能够得出结论，new创建自定义类型会调用构造函数，delete释放空间时会自动调用析构函数。

2.3 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。

下面是库里面的源码：

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;
}

operator new借助malloc来分配内存，一旦分配成功，就直接把指针返回；要是分配失败，它会先查看用户是否设置了内存不足的处理函数，如果有，就尝试通过这个处理函数来解决问题并再次尝试分配，要是依然失败或者用户没有设置相应处理函数，就会抛出异常。而operator delete在释放内存时，是调用free函数来完成操作的。

2.4 new和delete的实现原理

2.4.1 内置类型

void test3()
{
	//测试异常行为
	try 
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p1 << endl;
		void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p2 << endl;
		void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p3 << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout <<"分配失败原因：" << e.what() << endl;
	}

	//测试malloc返回NULL
	void* p = nullptr;
	while ((p = malloc(1000000000))) 
	{
		cout << "malloc分配成功" << endl;
	}
	cout << "malloc返回NULL" << endl;
}

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。

2.4.2 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 TN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

3.0 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释放