C++内存管理new/delete和new[ ]/delete[ ]

news2024/11/26 4:21:15

1.c/c++内存分布

首先看一段代码

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";
//这里不加const会导致权限的放大，因为指向的内容是不能改的

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);
}
选项 : A . 栈 B . 堆 C . 数据段 ( 静态区 ) D . 代码段 ( 常量区 )
staticGlobalVar 在哪里？ __C_
_localVar 在哪里？ __A__      globalVar在哪里？ __C_
_staticVar 在哪里？ __C       __num1 在哪里？__A__
char2 在哪里？ _A___      * char2 在哪里？ _A__
pChar3 在哪里？ __A__     * pChar3 在哪里？ _D___
ptr1 在哪里？ __A__        * ptr1 在哪里？ ___B_

(全局变量和静态变量都放在全局区(静态区)
常量放在常量区，全局变量和全局静态变量在主函数之前就创建好了，生命周期在整个程序运行期间都在，局部的静态变量在第一次调用的时候才会创建，数组也在栈上

char2和num1一样是一个数组，char2就是首元素的地址，*char2就是a

const char* pchar3 = "abcd";//这里const修饰的是指向的内容不能修改,但是pchar3可以改变,所以pchar3在栈上，pchar3是一个指针变量，存的常量区字符串abcd\0的地址，指向的常量区，所以*pchar3在常量区，即常量区的a, 如下图所示。                                                                                 

c/c++中程序内存区域划分如下：

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。
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。

2.c++内存管理方式

通过new/delete操作内置类型

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。 
int main()
{
	// 内置类型
	// 除了用法方便，c malloc没什么区别
	/*int* p1 = new int;
	int* p2 = new int[10];*/    //前后类型最好匹配
	// 默认不初始化，但是可以初始化
	int* p1 = new int(10);//单个对象初始化
	int* p2 = new int[10]{1,2,3,4};//多个对象初始化
  //()是初始化 []是个数 再要初始化加{}
	delete p1;//释放空间，delete是一个操作符
	delete[] p2;//释放多个对象
	return 0;
}
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 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

	A(int a1, int a2)
	{
		cout << "A(int a1, int a2)" << endl;
	}

	A(const A& aa)
		:_a(aa._a)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a = aa._a;
		}
		return *this;
	}

	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	 自定义类型， new才能调用构造初始化，delete才能调用析构 malloc不再适用
	//A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//自定义类型malloc出来没有初始化
	p1->_a = 0;//malloc没有构造
	//free(p1);//free不会析构

	 开空间/释放空间，还会调用构造和析构
	//A* p2 = new A;
	//A* p3 = new A(2);//new可以对自定义类型初始化，这里A(2)不是匿名对象

	//delete p2;//delete会析构
	//delete p3;

	//cout << endl;

	//A* p4 = new A[10];//十个对象调用十次构造函数
	A aa1(1);
	A aa2(2);
	A aa3(3);
	A* p4 = new A[10]{aa1, aa2, aa3};//有名对象的方式初始化，三个拷贝，七个默认构造初始化
 //分别用aa1，aa2，aa3拷贝构造初始化，剩余只会调用默认构造，如果没有默认构造会报错

	
	//A* p4 = new A[10]{ 1,2,3,4,5,{6,7}};//new的目的是针对每个对象去调用构造，单参数和多参数均可
   //1，2，3，4，5，隐式类型转换成A，用1，2，3，4，5生成临时对象，
   //临时对象再去拷贝构造，被编译器合二为一，相当于直接调构造
	delete[] p4;//释放掉10个对象，并且每个对象调用析构函数

	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 。
3.operator new与operator delete函数
operator new 和operator delete不是new和delete的重载，这是库里面写好的两个全局函数，实际是malloc和free的封装， 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 
#include<stack>
int main()
{
	// operator new->(malloc) + 构造函数
	A* p2 = new A;//new开空间还是用malloc去开的

	// 析构 + operator delete
	delete p2;//operator delete 它delete的是p2指向的空间，析构析构的是A对象上资源的清理

	stack<int>* p3 = new stack<int>;
	delete p3;

	return 0;
}

对于

stack<int>p3 =new stack<int>;
delete p3;

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。
throw抛异常，捕获用try，catch
下面是两个抛异常的例子： 
double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
		throw "Division by zero condition!";
	else
		return ((double)a / (double)b);
}

void Func()
{
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}

int main()
{
	try 
	{
		Func();
	}
	catch(const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "unkown exception" << endl;
	}

	return 0;
}

当输入time为0时

struct ListNode
{
	ListNode* _next;
	int _val;

	ListNode(int val)
		:_next(nullptr)
		, _val(val)
	{}
};

void func()
{
	// new失败了，抛异常, 只需要在外层进行捕获就可以，不需要再检查返回值,
	// 异常后程序不会继续往下执行程序，会自动跳到catch处
	ListNode* n1 = new ListNode(1);//new进行malloc，会调用构造函数进行初始化，不需要写buynewnode函数
	ListNode* n2 = new ListNode(2);
	ListNode* n3 = new ListNode(3);

	int* p1 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p2 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p3 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p4 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p5 = new int[100 * 1024 * 1024];
	int* p6 = new int[100 * 1024 * 1024];

	n1->_next = n2;
	n2->_next = n3;

	delete n1;
	delete n2;
	delete n3;
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

4.new和delete的实现原理

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： 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自定义类型

new 的原理
1. 调用 operator new 函数申请空间（malloc）
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（只调用一次operator new）
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

注意：new/delete,malloc/free，new[]/delete[]一定要匹配使用

#include<iostream>
using namespace std;

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

	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

//结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new A[10];
	//44 or 40 多开的四个字节用来存对象个数，方便析构的时候知道调用多少次析构函数
	// 显示写析构就要多开四个字节，没有显示写就不需要
	//free(p2);//释放的位置不对，free不会往前推移
	delete[] p2;//把p2前面的四个字节取出来得到析构的次数，然后取p2后面的对象依次去调用析构 
	//先调析构，再调用operator delete[],operator delete[]调operator delete，operator delete最终调free
	//free的位置为p2前面的四个字节处，这里free会往前推移是因为delete多开了四个字节
	//delete p2;//这是也是因为释放的位置不对（应该为p2前面的四个字节处），delete不会往前推移
	//free(p2);//这里也是释放的位置不对

	//int* p3 = new int[10];  //40
	//free(p3);//内置类型交错使用没什么问题

	return 0;
}

显示写A的析构时，new A[10]开的空间如下：

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
使用场景：
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。 
int main()
{
	//A* p1 = new A;//这一行等价于  A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A)); 和//new(p1)A;//这两行指令
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));//malloc和operator new开的不会调用构造，operator new 如果开辟失败会抛异常
	//p1->A(); // 不支持这样显示调用构造
	//new(p1)A;  // 对已有空间，显示调用构造
	new(p1)A(10);  // 对已有空间，显示调用构造，同时初始化

	//A* p1 = pool.alloc(sizeof(A));
	//new(p1)A(10);  // 对已有空间，显示调用构造
	
	// delete p1 等价于下面两行
	p1->~A();//可以显示调用析构
	operator delete(p1);
	
	// new []
	A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A)*10);
	//new(p2)A[10]{1,2,3,4};  // 对已有空间，显示调用构造
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
		new(p2 + i)A(i);

	// delete[]
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		(p2 + i)->~A();
	}
	operator delete[](p2);
 
	return 0;
}

6.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。
前五点是用法上的不同，第六点是原理上的不同

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