C++初阶教程——C++内存管理

news2024/11/5 16:27:11

一、C语言动态内存管理

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	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);
}

C语言中，存在三个用于动态分配内存的函数：

malloc函数
1. 用途：分配一块未初始化的内存。
2. ```
void *malloc(size_t size);
```
3. 特点：分配的内存是未初始化的，可能是之前使用过的数据，需要手动初始化；如果分配失败，返回NULL。
calloc函数
1. 用途：分配并初始化一块指定大小的内存区域，所有位都被设置为 0。
2. ```
void *calloc(num,size_t size);
```
3. 特点：num表示元素的数量，size表示每个元素的大小；分配的内存区域被初始化为0；分配失败返回NULL。
realloc函数
1. 用途：重新分配一块内存区域的大小，可以增加或者减少原本的内存块。
2. ```
void *realloc(void *ptr, size_t new_size);
```
3. ptr表示之前通过动态内存分配的区域指针；new_size表示新的内存区域的大小；如果ptr为NULL则realloc行为类似于malloc，即分配一块新内存；如果new_size为0则行为类似于free，即回收一块内存；如果分配内存失败，返回NULL，并且保持原来的内存区域不变。

使用场景：

malloc：当你需要分配一块内存，并且不需要初始化或者需要非零的初始值时。
calloc：当你需要分配一块内存，并且希望这块内存的内容是确定的（例如，初始化为 0）。
realloc：当你需要改变已经分配的内存块的大小，或者在程序运行时动态调整内存使用时。

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);

free函数用来释放通过malloc、calloc和realloc函数动态分配的内存区域；它只有一个参数——指向需要释放的内存的指针；没有任何返回值；当动态内存不再被需要时，应当使用free函数来释放这块内存避免内存泄漏。

二、C++内存管理

C语言内存管理方式在C++里是可以继续使用的，但是C语言的动态内存分配函数在初始化方面有些无能为力。C语言的内存管理方式无法满足自定义类型的动态内存管理需要，类的初始化是需要调用构造函数，而C管理方式不能调用构造函数。

C++提出了新的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

2.1new/delete操作内置类型

void test()
{
    //动态申请一个int类型的空间
    int *ptr1 = new int;
    //动态申请一个int类型的空间并出示化为10
    int *ptr2 = mew(10);
    //动态申请10个int类型的空间
    int *ptr3 = mew int[10];

    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
}

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[]，一定要匹配起来使用。

2.2new/delete操作自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 10) :k(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int k;
};

int main()
{
	A* ptr = new A[10];
	delete[] ptr;
}

new/delete与malloc/free最大的区别就是，前者对于自定义类型除了开空间之外还会调用构造函数和析构函数。

三、operator new和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操作符在底层调用operator new 全局函数来申请空间，对于自定义类型还会调用构造函数。

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);
}

看不懂没关系，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。

注意：这里的operator new不是重载的意思。

四、new和delete的实现原理

4.1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[]释放的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛出异常。

4.2自定义类型

new的原理
1. 调用operator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[]函数中实际调用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。

五、定位new表达式（placement-new)

定位new表达式，是一种特殊的内存分配技术，它允许在已经分配的内存上构造对象。这种技术用于重用已经分配的内存，或者在特定的内存区域创建对象。

#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;
};
// 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)*2);
	// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	new(p1)A; 
    //在内存的下一个位置构造对象。
	new(p1 + 1)A;
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
    //也可以显式调用
	operator delete(p2);
	return 0;
}

六、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。不同的是：

malloc和和free都是函数，new和delete都是操作符。
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需要在后面跟上空间的类型即可，如果是多个对象，[]中指定对象的个数。
malloc返回的类型是void*，使用时需要强制类型转换，new不需要，因为new返回的是空间的类型。
malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空；new不需要判空，但是new需要捕获异常。
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