C++：内存管理|new和delete

创作不易，感谢三连支持！

一、内存分布

为什么需要内存管理呢？？因为我们在程序的运行过程中会需要各种各样的数据，而我们根据数据的不同存储在不同的区域里面，是为了更高效地处理数据。而C语言相比Java来说在内存的权限上尽可能给了程序员更多的操作空间，这也是为什么C更追求性能。

C++和C的内存分布是一样的，下面根据一道面试题引入

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
staticVar在哪里？____C
num1 在哪里？____A

staticGlobalVar在哪里？____C
localVar在哪里？____A

答：因为全局变量、静态全局变量、静态局部变量的生命周期都是整个程序，所以会被放在数据段，而静态局部变量的作用域只有在Test函数内部。局部变量和上图数组都是开辟在栈区的

char2在哪里？____A
pChar3在哪里？____A
ptr1在哪里？____A

*char2在哪里？___A
*pChar3在哪里？____D
*ptr1在哪里？____B

重点要理解char2是将常量区的数据拷贝到在栈区开的空间中，然后指向栈区中拷贝的数据，而pchar3是直接指向常量区的数据

2. 填空题：
sizeof(num1) = ____40;sizeof(char2) = ____5; strlen(char2) = ____4;
sizeof(pChar3) = ____4/8; strlen(pChar3) = ____4;sizeof(ptr1) = ____4/8;

要注意的是sizeof要把末尾的\0算上，然后strlen是访问到\0停止，指针在32位机器是4个字节，再64位机器是8个字节

说明：

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。（Linux相关）
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。

二、回顾C语言中的动态内存管理

在c语言中，我们会用到malloc/calloc/realloc/free这些函数。

详细看博主博客：C语言：动态内存管理-CSDN博客

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
free(p3 );
}

思考：

1、 malloc/calloc/realloc的区别

答：malloc和calloc差不多，calloc多了一个功能就是将开辟空间的数据都初始化为0,还有一个就是传参不同，malloc传的是字节总大小，calloc传的一个是元素个数，一个是元素大小。而realloc是在原有空间的基础上进行扩容，第一个参数是原空间的地址，第二个参数是扩容后的大小。因为有些时候如果在原地扩容可能会造成其他重要数据的覆盖，所以扩容会分为两种情况，第一种情况是原地扩容不会影响到其他数据，就直接原地扩容。第二种情况是原地扩容会影响到其他数据，这个时候就要重新在内存中找一个合适的空间，找到后现将原空间的内容拷贝到新空间，然后再释放掉原空间，返回新空间。

2、要释放p2吗？

答：如果是原地扩容，那么p2和p3指向同一块空间，释放其中一个就可以了，但是如果是异地扩容，返回p3指向的新空间之前会帮我们把原先p2空间的数据拷贝过来并释放，所以编译器在这帮我们完成了释放，我们只需要释放p3的空间就行了。综上无论哪种情况，我们只需要释放p3就行

三、C++的内存管理模式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但是因为C++是面向对象的语言，在有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，特别是无法进行初始化的问题。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。

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr4 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}

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。

实现原理：

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。

3.2 new/delete操作自定义类型

class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间
还会调用构造函数和析构函数
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
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。对于内置类型来说两者没有什么区别

这同时也说明了一个问题：new和delete其实是为了处理自定义类型而生的！！

实现原理：

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

3.3 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 （等价于C中的malloc）和operator delete（等价于C中的free）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。

/*
operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间
失败，尝试执行空 间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否
则抛异常。
*/
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;
}
/*
free的实现
*/
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

总的来说就是：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。

3.4 不匹配使用的后果

在使用过程中，我们都建议匹配使用，如果不匹配使用，会怎么样呢？？

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

3.4.1 内置类型

如果是内置类型，构造函数和析构函数都对内置类型不处理，所以用delete和free没什么区别

3.4.2 结构体类型

自定义类型，构造函数和析构函数都会处理，但如果我们用free，就少调了一次析构函数，但是该类的析构函数并不需要清理资源，所不调用也是无所谓的。

3.4.3 需要清理资源的结构体类型

如果我们换一个类，把上面的类换成：

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_a = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}

private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};

我们注意到，stack类的构造和析构函数涉及到了资源类成员_a的资源开辟和清理！！

但是这个地方编译器并没有报错，这说明编译器对于内存泄露不是很敏感，我们作为程序员要尽量自己去避免这种情况！！

3.4.4 开辟数组

回到之前那个类

我们看到，如果我们new一个结构体数组，系统直接崩溃了？？

同理如果delete p9也是这样的问题，他并不懂得delete [ ]的释放机制，会导致释放位置错误而崩溃！！！

如上图，我把析构函数给注释掉了，为什么这个时候free就成功了？？？

解答:因为没有析构函数，而且不涉及到资源的清理，所以编译器认为这个类的析构函数是没有必要执行的，所以在new的时候他就不打算在前面多开4个字节存个数了！！因此此时从p9开始释放是正确的，不会报错！！

3.4.5 总结

1、不匹配使用的风险是不可控制的，所以我们要尽量匹配使用

2、编译可能只会对一些比较严重的问题很敏感，比如上面我们少释放了一段空间，编译器并没有指出问题，但是如果我们释放的位置是错的，编译器就会报警告。

3、析构函数一般只在涉及资源清理的时候比较有必要存在，其他情况下就不是很有必要。

3.5 定位new表达式(placement-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。

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)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没
有执行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);
return 0;
}

你可能会觉得说，明明我new就可以完成初始化这个工作，那为什么我们还要用malloc、再用定位new初始化，这不是多次一举吗？？

确实是这样的！！！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。

解答：在有些场景下，我们需要不断地new一块新区域，这个过程是和操作系统上的堆完成交互的，如果我们不断地交互，其实是很麻烦的，为了优化性能，有了内存池这个概念，也就是我们先在堆上一次性malloc出一大块的区域，之后如果是处理小数据，我就不需要一直跟操作系统交互，只需要在我们的内存池里面拿空间就可以了，再用定位new去初始化！！这样减少了对象之间的交互，提高了效率。

四、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
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

五、内存泄露

C++相比Java给了我们更多的对内存的操作权限，让我们可以通过对内存的了解提高程序的性能，因此我们在享受这个权限的同时，也要格外小心内存泄露的问题，对自己的行为负责。

什么是内存泄露

内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害

长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
}

常见的原因有：

（1）内存申请了忘记手动释放

（2）异常安全问题（即程序某个地方出现问题导致内存没有被释放）