【C++精华铺】7.C/C++内存管理

举报
子亦半截诗 发表于 2023/08/15 02:58:20 2023/08/15
【摘要】 C++继承了C语言的内存管理方式，但是C语言的内存管理方式在C++中显得心有余而力不足，在涉及内存管理的自定义类型的内存释放上就显得无能为力。C++引入了new/delete和new T[]/delete[]的内存管理方式。

​

目录


1. C语言动态内存管理

2. C++内存管理方式

2.1 new/delete和new T[]/delete[]

 2.1.1 操作内置类型

2.1.2 操作自定义类型

2.2 new/delete和new T[]/delete[]的原理

2.2.1 原理

2.2.2 operator new和operator delete        

2.2.3 new T[]的特殊处理（可以不看）

2.3  定位new表达式（了解）

 3. C语言 malloc/free和C++ new/delete的区别（面试常考）

1. C语言动态内存管理

        C++的内存管理方式和C语言的内存管理方式存在千丝万缕的关系，如果对C语言内存管理不熟悉的可以先去看看这篇文章：

动态内存分配—malloc calloc realloc free 和常见动态内存错误-云社区-华为云 (huaweicloud.com)

2. C++内存管理方式

        C++继承了C语言的内存管理方式，但是C语言的内存管理方式在C++中显得心有余而力不足，在涉及内存管理的自定义类型的内存释放上就显得无能为力。C++引入了new/delete和new T[]/delete[]的内存管理方式。在正式学习C++的内存管理方式之前先重温一下C/C++的内存分布：

​编辑

2.1 new/delete和new T[]/delete[]

 2.1.1 操作内置类型

        new/delete和new T[]/delete[]在操作内置类型的时候和malloc申请空间的方式基本相同，但是new/delete和new T[]/delete[]在开辟空间的同时可以进行初始化。C语言中开辟空间用malloc等，释放空间用free，C++中开辟空间用new/new T[]，释放空间用delete/delete[]。new/delete用来开辟和释放单个对象的空间，new T[]/delete[]用来开辟和释放多个连续对象的空间。（new和delete，new T[]和delete[]必须配套使用，不能交叉使用）

int main()
{
	//C++98
	//动态申请一个int类型的空间；
	int* p1 = new int;
	delete p1;
	//动态申请一个int类型的空间并且初始化成1；
	int* p2 = new int(1);
	delete p2;
	//动态开辟十个int类型的空间；
	int* p3 = new int[10];
	delete[] p3;
	//动态开辟十个int类型的空间并全部初始化成0（不支持逐个初始化）；
	int* p4 = new int[10]();
	delete[] p4;
	
	//C++11 支持了列表初始化
	//动态申请一个int类型的空间并且初始化成0；
	int* p5 = new int{};
	delete p5;
	//动态申请一个int类型的空间并且初始化成1；
	int* p6 = new int{1};
	delete p6;
	//动态开辟十个int类型的空间并全部初始化成0；
	int* p7 = new int[10] {};
	delete[] p7;
	//动态开辟十个int类型的空间，前面三个空间分别初始化成1，2，3，后面7个元素初始化成0；
	int* p8 = new int[10] {1, 2, 3};
	delete[] p8;
}

2.1.2 操作自定义类型

        new/delete和new T[]/delete[]在操作内置类型的时候和malloc几乎没有区别，但是new/delete和new T[]/delete[]在操作自定义类型的时候除了开空间还会调用构造函数和析构函数。如下：

class Date
{
public:
	Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date *d1 = (Date*)malloc(sizeof(Date)); //开空间
	free(d1);  //释放空间

	cout << "----------------------------------" << endl;

	Date* d2 = new Date(); //开空间后调用构造
	delete d2;   //调用析构后释放空间


	cout << "----------------------------------" << endl;

	Date* d3 = new Date[10];  //开十个Date大小的空间，调用十次构造函数。
	delete[] d3;   //调用十次析构函数，然后释放空间。
}

输出：

​编辑

 

         根据结果就可知new和delete不仅仅开空间和释放空间，并且调用了构造和析构。在new的时候new会先开空间然后调用构造函数，而delete会先调用析构函数然后再释放。

2.1.3 

2.2 new/delete和new T[]/delete[]的原理

2.2.1 原理

        在我们讲解new/delete之前我们要引入另外俩个函数，也就是operator new和operator delete，因为new的底层就会调用这个函数，不说废话直接上结论：

  1. new的原理：调用operator new函数申请空间；然后再申请的空间调用构造函数初始化对象。
  2. delete的原理：在空间上执行析构函数；调用operator delete释放空间。
  3. new T[N]的原理：调用operator new[]（实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请）；然后在申请的空间上执行N次构造函数。
  4. delete[]的原理：在申请的空间上执行N次析构函数；调用operator delete[]（实际调用operator delete函数完成N个对象空间的析构）完成析构。

2.2.2 operator new和operator delete        

        我们发现无论是new/new T[]还是delete/delete[]最后都调用了这operator new和operator delete，那operator new和operator delete究竟是何方神圣？其实operator new和operator delete是对malloc和free的封装，这俩个函数分别都有三种不同的重载形式。

  • throwing(1) void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
  • nothrow(2) void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value) throw();
  • placement(3) void* operator new (std::size_t size, void* ptr) throw();
  • ordinary(1) void operator delete (void* ptr) throw();
  • nothrow(2) void operator delete (void* ptr, const std::nothrow_t& nothrow_constant) throw();
  • placement(3) void operator delete (void* ptr, void* voidptr2) throw();

        对于这几个函数我们没必要做过多的深究（容易走火入魔），性价比不高。所以我们只会带大家了解一下俩个函数的第一种重载形式，其他的我只会一句带过。

        1. throwing(1) void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);这个函数的底层实际是通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功就会直接返回空间的地址，如果是失败，会尝试执行空间不足的应对措施，如果用户设置了应对措施就会继续申请，否则就会抛bad_alloc异常。（对于异常如果不了解的同学只需记住就可以，以后会学习）

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);
}

         throwing(1)和nothrow(2)的区别就是nothrow(2)申请空间失败不会抛异常，而是返回空指针。 

        2. ordinary(1) void operator delete (void* ptr) throw();这个函数底层调用的是free来释放空间，使指针位置无效，解除内存分配。

/*
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
*/
void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads  阻止其他线程*/
	__TRY
		/* get a pointer to memory block header 获取指向内存块首地址的指针*/
		pHead = pHdr(pUserData);
	/* verify block type 验证块类型 */
	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);   //调用free
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads 释放其他线程*/
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}

        nothrow(2)和ordinary(1)功能完全相同，placement(3)也叫做放置删除，不会做任何处理。

         3. operator new/operator delete的使用：

        operator new/operator delete的使用方式和malloc/free完全相同，不同在于operator new/operator delete申请失败抛异常，malloc/free申请失败返回NULL。

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

	int* p2 = (int*)operator new(sizeof(int));
	operator delete(p2);
}

 

2.2.3 new T[]的特殊处理（可以不看）

        （这里大家可以跳过，因为不同编译器处理方式不同，不是特别需要去了解）在我们使用malloc/free、new/delete、new T[]/delete[] 的时候我们发现有的时候在一些情况下是可以交叉使用的，如果不涉及到调用构造和调用析构不会造成内存泄漏的情况下new和free、malloc和delete是可以交叉使用的（强烈不建议交叉使用，直接从根本上杜绝内存泄漏）像下面这种可以使用而且也不会造成内存泄漏，编译器是支持这样写的，但还是不建议。

int main()
{
	int* p = new int();
	free(p);

	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	delete p1;
}

        对于自定义类型malloc/free、new/delete交叉使用由于free不会调用析构函数会造成内存泄漏，但是编译器也不会报错，也就是说少调用了析构函数造成内存泄漏编译器是不会报错的，无非就是浪费资源了呗。如下：

class Date
{
public:
	Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


int main()
{
	Date* d1 = new Date();
	free(d1);
}

输出：

​编辑

         但是当我们将（malloc/free、new/delete）和 new T[]/delete[]交叉使用时，编译器会直接报错，这里难道不只是少调用了析构函数的原因吗？根据上面的案例我们就知道少调用析构造成内存泄漏是不会报错的。那这里报错的原因是什么呢？ 

class Date
{
public:
	Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date* d1 = new Date[10];
	free(d1); //delete d1;  运行错误
}

错误：

​编辑

        其实告诉大家，这里报错其实是因为free的位置不对，为什么呢，因为这里编译器其实对new T[]做了处理：

​编辑

        由于不同编译器的策略可能有不同，所以我们在使用的时候一定要配套使用，不要去交叉。 

2.3  定位new表达式（了解）

        定位new表达式区别于new的地方就是定位new不开空间，而是对一块已经存在的空间进行初始化。定位new的使用场景比较少，一般会与内存池一起搭配使用。

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 Date
{
public:
	Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int year = 2023, int month = 8, int day = 14)" << endl;
	}
	void print()
	{
		cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
	new(p)int(1);
	cout << *p << endl;

	cout << "-----------------------------" << endl;

	Date* d = (Date*)malloc(sizeof(Date));
	new(d)Date(2023, 8, 15);
	d->print();
}

输出：

​编辑

 补充：内存池机制

        内存池是从堆中划出来的空间，正常我们向堆中申请空间需要先向操作系统申请，再由操作系统给我们分配，而向内存池申请不需要与操作系统交互，而是直接由内存池分配返回地址，因此内存池效率很高。

​编辑

 

 3. C语言 malloc/free和C++ new/delete的区别（面试常考）

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

​

【版权声明】本文为华为云社区用户原创内容，转载时必须标注文章的来源（华为云社区）、文章链接、文章作者等基本信息， 否则作者和本社区有权追究责任。如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容，欢迎发送邮件进行举报，并提供相关证据，一经查实，本社区将立刻删除涉嫌侵权内容，举报邮箱： cloudbbs@huaweicloud.com
C++ 面向对象编程
  • 点赞
  • 收藏
  • 关注作者

评论（0）

0/1000
抱歉，系统识别当前为高风险访问，暂不支持该操作

全部回复

上滑加载中

设置昵称

在此一键设置昵称，即可参与社区互动！

*长度不超过10个汉字或20个英文字符，设置后3个月内不可修改。

*长度不超过10个汉字或20个英文字符，设置后3个月内不可修改。

确认 取消

加入云驻计划，成为创作者

  • 华为云周边好礼
  • 免费体验产品
  • 特殊身份标识
  • 线下官方门票
  • 内部专家零距离
  • 与10000+优质创作者共同成长
立即加入