【C++要笑着学】C++动态内存管理 | new/delete底层探索 | new/delete实现原理 | 定位new
C语言里的 "动态内存管理" 放到 C++ 里面，用起来不是那么爽，所以C++就对这一块进行了升级，本章我们就探索探索 C++的内存管理，顺便复习一下C语言里讲过的动态内存管理的知识。学完本章，单身的同学不用怕了，以后没有对象我们可以 new 一个。
Ⅰ. C语言内存管理的方式回顾
0x00 C/C++ 内存分布
💬 观察下面一段代码，并回答问题：
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 D.代码段
globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
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) = ____;
🔑 答案：CCCAA AAADAB
栈区（stack）
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。
执行函数时，函数内部局部变量的存储单元都可以在栈上创建。
函数执行结束后这些存储单元会被自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，
拥有很高的效率，但是分配的内存容量是有限的。
栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区（heap）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
一般由程序员自主分配释放，若程序员不主动不释放，程序结束时可能由操作系统回收。
其分配方式类似于链表。
数据段（data segment）
静态存储区，数据段存放全局变量和静态数据，程序结束后由系统释放。
代码段（code segment）
可执行的代码 / 只读常量。代码段存放类成员函数和全局函数的二进制代码。
一个程序起来之后，会把它的空间进行划分，而划分是为了更好地管理。
函数调用，函数里可能会有很多变量，函数调用建立栈帧，栈帧里存形参、局部变量等等。
内存映射段（memory mapping）
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。
0x01 C语言中动态内存管理的方式
【面试题】malloc / calloc / realloc 的区别？
这些我们在C语言章节中都有详细的讲解：
malloc
📜 头文件：stdlib.h
📚 介绍：malloc 是C语言提供的一个动态内存开辟的函数，该函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。具体情况如下：
① 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
② 如果开辟失败，则返回一个 NULL 指针。
③ 返回值的类型为 void* ，malloc 函数并不知道开辟空间的类型，由使用者自己决定。
④ 如果 size 为 0（开辟0个字节），malloc 的行为是标准未定义的，结果将取决于编译器。
calloc
📜 头文件：stdlib.h
📚 介绍：calloc 函数的功能实为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并把空间的每个字节初始化为 0 ，返回一个指向它的指针。
⭕ 对比：
① malloc 只有一个参数，而 calloc 有两个参数，分别为元素的个数和元素的大小。
② 与函数 malloc 的区别在于 calloc 会在返回地址前把申请的空间的每个字节初始化为 0 。
💬 验证： calloc 会对内存进行初始化
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// malloc
int* p = (int*)malloc(40); // 开辟40个空间
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
printf("%d ", *(p + i));
free(p);
p = NULL;
return 0;
}🚩 （运行结果是10个随机值）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
// calloc
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 开辟10个大小为int的空间，40
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
printf("%d ", *(p + i));
free(p);
p = NULL;
return 0;
}🚩 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
🔺 总结：说明 calloc 会对内存进行初始化，把空间的每个字节初始化为 0 。如果我们对于申请的内存空间的内容，要求其初始化，我们就可以使用 calloc 函数。
0x03 realloc
📜 头文件：stdlib.h
📚 介绍：realloc 函数，让动态内存管理更加灵活。用于重新调整之前调用 malloc 或 calloc 所分配的 ptr 所指向的内存块的大小，可以对动态开辟的内存进行大小的调整。具体介绍如下：
① ptr 为指针要调整的内存地址。
② size 为调整之后的新大小。
③ 返回值为调整之后的内存起始位置，请求失败则返回空指针。
④ realloc 函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
📌 realloc 函数在调整内存空间时存在的三种情况：
情况1：原有空间之后有足够大的空间。
情况2：原有空间之后没有足够大的空间。
情况3：realloc 有可能找不到合适的空间来调整大小。
情况1：当原有空间之后没有足够大的空间时，直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数组不发生变化。
情况2：当原有空间之后没有足够大的空间时，会在堆空间上另找一个合适大小的连续的空间来使用。函数的返回值将是一个新的内存地址。
情况3：如果找不到合适的空间，就会返回一个空指针。
Ⅱ. C++动态内存管理方式
0x00 引入
#include <stdlib.h>
void Test_C() {
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
}
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。
为了解决这种问题，C++ 又进化出属于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。
0x01 new / delete 操作内置类型
💬 new 开辟空间：
void Test_CPP() {
// 动态申请一个int类型的空间
int* p1 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p2 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[10];
}
是不是非常的爽，而且 new 不需要强制类型转换。
💬 C语言用完之后我们要用 free 函数释放：
#include <stdlib.h>
void Test_C() {
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
free(p1);
free(p2);
}
💬 但是在C++里，我们可以用 delete：
void Test_CPP() {
int* p1 = new int;
int* p2 = new int(10);
int* p3 = new int[10]; // 多个对象
// 单个对象，delete即可。
delete p1;
delete p2;
// 多个对象，delete[] 。
delete[] p3;
}
这些指针要不要置空呢？
从安全角度看，这里当然还是置空一下比较好：
void Test_CPP() {
int* p1 = new int;
int* p2 = new int(10);
int* p3 = new int[3];
delete p1;
delete p2;
delete[] p3;
p1 = nullptr;
p2 = nullptr;
p3 = nullptr;
}
不知道大家还是否记得下面这张图（维生素C语言中讲解free的插图）
只是我们这里用 delete，并用 nullptr 置空了，本质是一样的。
0x03 初始化new数组的问题
C++98 不支持初始化 new 数组：
int* p = new int[5];
C++11 允许大括号初始化，我们就可以用 { } 列表初始化：
int* p1 = new int[5]{1,2} // 1 2 0 0 0
int* p2 = new int[5]{1,2,3,4,5}; // 1 2 3 4 50x04 new 和 delete 操作自定义类型
我们知道了，malloc / free 和 new / delete 对于内置类型没有本质区别，
那么它存在的意义是什么呢？仅仅是因为用法更简洁吗？
当然不是，因为 new 和 malloc 可以操作自定义类型，我们继续往下看。
malloc 和 new 的对比
我们先来对比一下 malloc 和 new，俗话说的好，没有对比就没有伤害。
对于自定义类型，你也是可以用 malloc 的。
💬 用 malloc 创建对象：
#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:
A()
: _a(0) {
cout << "A():" << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
// 动态申请单个A对象和5个A对象数组
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 5);
}对于这种是自定义类型的场景，你继续坚持用C语言的动态内存开辟的手段，
是 彳亍 的，没人会拦你，但是我们在来看看C++的：
int main(void)
{
// 动态申请单个A对象和5个A对象数组
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 5);
A* p3 = new A; // 后面只需要跟类型就可以
A* p4 = new A[5];
}
直接看代码，同样是申请单个A对象和5个对象数组，C++写法明显是是更简单。
仅仅是因为如此吗？我们再来调试看一看。
🔍 让我看看！
我敲，还有这种功能？玩的这么花的吗，不仅能开内存，还能帮你初始化！
如果是一个数组，new 也会对它初始化。
💬 比如这里的 new A[5] ，它会依次对动态创建的5个对象进行初始化。
真的是太棒了，new 不仅会开内存，还会调用对应的构造函数初始化，多省事？
不仅仅是写法上变得简单了，对于自定义类型来说用起来也特别爽！还有什么理由不用 new 呢？
free 与 delete 的对比
💬 我们来对比一下 free 和 delete，它们都是用来释放内存空间的。
#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:
A()
: _a(0) {
cout << "A():" << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 5);
A* p3 = new A;
A* p4 = new A[5];
free(p1);
free(p2);
delete p3;
delete[] p4;
// ...
}相对的，free 只是把 p1 p2 指向的空间释放掉。
而 delete 不仅会释 p1 p2 指向的空间，delete 还会调用对应的析构函数。
🔺 总结：
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：在堆上申请空间 + 调用构造函数输出。
delete：先调用指针类型的析构函数 + 释放空间给堆上。
0x05 建议匹配使用
new 👉 delete
new[] 👉 delete[]
malloc 👉 free(A)
new 对应的是 delete，可以可以 new 出来的用 free 释放？
💡 不建议大家混着用， new 出来的用 free，有的编译器就会爆炸。
int main(void)
{
A* p4 = new A[5];
free(p4); // delete[] p4;
}
💬 new[] 出来的 你去 delate 而不是 delate[] 也会崩：
int main(void)
{
A* p4 = new A[5];
delete p4; // delete[] p4;
}
记住一个点就可以了：壹壹对应，匹配使用！malloc/free 和 delete/delete new[] / delete[]
（你要过马路你就老老实实走斑马线，不要瞎穿）
其实也不一定会出问题，具体得看编译器的检查机制，但是这个 "不一定" 就带有悬念了。
所以个人建议，还是老老实实的比较好。
Ⅲ. new 和 delete 的底层探索
0x00 operator new 与 operator delete 函数
/*
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)
通过上述两个全局函数的实现可以知道：
① operator new 实际上也是通过 malloc 来申请空间的。
② operator delete 最终也是通过 free 来释放空间的。
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的应对措施，
如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。
面向过程的语言处理错误的方式：
返回值 + 错误码解决（这个我们之前学过）。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u *2u);
if (p1 == nullptr) {
printf("%d\n", errno);
perror("malloc fail");
exit(-1);
} else {
printf("%p\n", p1);
}
return 0;
}
而面向对象语言处理错误的方式：
一般是抛异常，C++中也要求出错抛异常 —— try catch（后期会细说）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(void)
{
char* p2 = nullptr;
try {
char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2u - 1];
} catch (const exception& e) {
cout << e.what() << endl;
}
printf("%p\n", p2);
return 0;
}
🔺 C++ 提出 new 和 delete，主要是解决两个问题：
① 自定义类型对象自动申请的时候，初始化合清理的问题。new / delete 会调用构造函数和析构函数。
② new 失败了以后要求抛异常，这样才符合面向语言的出错处理机制。
（delete 和 free 一般不会失败，如果失败了，都是释放空间上存在越界或者释放指针位置不对）
0x02 operator new 与 operator delete 的类专属重载
下面代码演示了，针对链表的节点 ListNode 通过重载类专属 operator new / operator delete，
实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率。
💬 我们先看看按照C的方式写：
struct ListNode {
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _val;
};
int main(void)
{
struct ListNode* n1 = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
if (n1 == NULL) {
printf("malloc failed!\n");
exit(-1);
}
n1->_next = NULL;
n1->_prev = NULL;
n1->_val = 0;
return 0;
}我们创建节点还需要用 malloc 申请空间，还需要强制类型转换，之后还要自己写上初始化，
因为 malloc 失败返回 NULL，会存在野指针隐患，所以出于安全还要检查一下。
💬 我们再来看看 C++ 的方式：
struct ListNode {
ListNode* _next;
ListNode* _prev;
int _val;
/* 构造函数*/
ListNode(int val)
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val) {}
};
int main(void)
{
ListNode* n2 = new ListNode(0);
return 0;
}
而在C++里，因为 new 会自动调用构造函数去完成初始化，就很舒服。
而且还不需要去检查是否开辟失败，因为 new 失败不会返回空，而是抛异常。
💬 我们再举个能用得上析构函数的例子 —— Stack：
#include <iostream>
using namespace std;
class Stack {
public:
Stack(int capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new int[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
// ...
private:
int* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
int main(void)
{
Stack st; // 完事了
Stack* pst2 = new Stack; // 开空间 + 构造函数初始化
delete pst2; // 析构函数（清理对象中资源）+ 释放空间
return 0;
}
Ⅳ. new 和 delete 的实现原理
0x00 对于内置类型
如果申请的是内置类型的空间，new 和 malloc，delete 和 free 基本相似。
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 再申请空间失败时会抛异常。
A* p3 = new A; // 开辟单个空间
A* p4 = new A[5]; // 开辟的是连续地5个空间operator new 和 operator delete 就是对 malloc 和 free 的封装。
operator new 中调用 malloc 后申请内存，失败以后，改为抛异常处理错误，
这样符合C++面向对象语言处理错误的方式。
new Stack
call malloc + call Stack 构造函数 ❌ 如果失败返回0，这不符合C++处理错误的方式
new Stack
call operator new + call Stack 构造函数 ✅ 失败抛异常，这就非常滴合适
0x01 对于自定义类型
new 的原理：
① 调用 operator new 函数申请空间。
② 在申请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 在申请的空间上调用 N 次构造函数，对它们分别初始化。
Stack* p1 = new[10];
Stack* pst1 = (Stack*)operator new[](sizeof(Stack) * 10);
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。
Ⅴ. 定位new
0x00 引入 - 我想手动初始化
如果不用 new，我想手动调用构造函数初始化，
假设我们这有一块空间，是从内存池取来的，或者是 malloc 出来的、operator new 出来的……
我就不想用 new，但是我想对他进行初始化，行不行？
A* p = (A*)malloc(sizeof(A)); // 我能不能调用构造函数初始化？当然可以！定位new表达式帮你！
0x01 定位new表达式
定位 new 表达式实在已分配的原始空间中调用构造函数初始化一个对象。
简单来说就是，定位new表达式可以在已有的空间进行初始化。
📚 写法：
new(目标地址指针)类型 // 不带参
new(目标地址指针）类型(该类型的初始化列表) // 带参📌 注意：目标地址必须是一个指针
0x02 定位new的使用场景
定位 new 是很有用的！
比如开的空间是从内存池来的，如果想初始化，我们就可以使用它。
因为内存池分配出的内存初始化，所以如果是自定义类型的对象，
需要使用 new 定义的表达式进行显示调用构造函数进行初始化。
0x03 定位new用法演示
不带参定位new：
class A {
public:
A(int a = 0)
: _a(a) {
cout << "A(): " << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A(): " << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p)A; // 定位new
return 0;
}
带参定位new：
class A {
public:
A(int a)
: _a(a) {
cout << "A(): " << this << endl;
}
~A() {
cout << "~A(): " << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main(void)
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A(10);
return 0;
}
💬 模拟一下 new 的行为：
int main(void)
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A(10);
// 模拟一下new的行为
A* p2 = new A(2);
// 等价于:
A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p3)A(3);
return 0;
}
没事这么写，其实就是脱裤子放屁，
但是有时候，内存不一定是从堆来的，比如从内存池来的，定位 new 就可以大显神功。
高并发内存池，实现定长内存池的时候就需要使用 定位 new。
析构函数释放
析构函数是可以显式调用的（构造函数不行）
p->~A;int main(void)
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A(1);
A* p2 = new A(2);
delete p2;
// 等价于:
A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p3)A(3);
p3->~A;
operator delete(p3);
return 0;
}
参考资料：
Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .
. C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.
百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31].
📌 笔者：王亦优
📃 更新： 2022.3.28
❌ 勘误：暂无
📜 声明： 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
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