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【C++初阶】--- 内存管理

news 来源：原创 2025/6/23 1:02:07

1.C/C++内存分布

在这里插入图片描述
我们一般说的32位机器和64位机器指的是虚拟空间的大小，也就是进程地址空间的大小，32位机器下，进程地址空间的大小是232个字节，也就是4G，64位机器下，进程地址空间的大小是264个字节,大概160亿G左右。
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2.C++内存管理方式

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，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。

2.1 new/delete操作内置类型

在这里插入图片描述
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。

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int[10];

	delete p1;
	delete[] p2;

	//申请对象+初始化
	int* p3 = new int(0);
	int* p4 = new int[10] {0};//全部初始化成0
	int* p5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};//部分初始化，剩下的初始化成0

	delete p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;

	return 0;
}

2.2 new/delete操作自定义类型

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。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	//默认构造
	A(int a1 = 1, int a2 = 1)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}

	//拷贝构造
	A(const A& aa)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	//析构
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "A::Print()->" << _a1 << endl;
	}

	//赋值运算符重载
	A& operator=(const A& aa)
	{
		_a1 = aa._a1;
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		return *this;
	}

private:
	int _a1;
	int _a2;
};

int main()
{
	A* p1 = new A(1);
	A* p2 = new A(2, 2);
	cout << endl;

	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	//拷贝构造
	A* p3 = new A[3]{ aa1, aa2, aa3 };
	cout << endl;

	//匿名对象
	A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) };
	cout << endl;

	//隐式类型转换
	A aa4 = { 1,1 };
	A* p5 = new A[3]{ {1,1},{2,2},{3,3} };
	cout << endl;
	
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;
	cout << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.2.1new失败抛异常

malloc会返回空，而new失败会抛异常

#include<iostream>
using namespace std;

void func()
{
	void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
	cout << p1 << endl; 

	void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
	cout << p2 << endl;

	void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
	cout << p3 << endl;
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	//，catch捕获异常，exception是库里面异常的一个类型
	catch (const exception& e)
	{
		//what()是一个函数，捕获之后告诉我们发生了什么
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

3.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)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

4.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[]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。

4.2自定义类型

• 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
在这里插入图片描述
• 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
在这里插入图片描述
• 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
在这里插入图片描述

5.new和delete的错误匹配问题

5.1内置类型

我们使用new申请了一个内置类型的空间，然后我们不使用delete而是使用free释放，这是可以的，因为内置类型不涉及构造和析构，其new和delete的本质就是malloc和free，我们调用delete，其底层依旧是free

int main()
{
	int* p1 = new int;//->malloc
	free(p1);
	//delete p1;     //->free
	
	return 0;
}

5.2自定义类型

如果我们new的是一个自定义类型，我们使用delete释放的时候会先调用析构函数，然后调用operator delete函数释放对象的空间。而使用free进行释放的化会比delete少调用一个析构函数，如果这个析构函数中有对其他指针进行delete或者free，这时候就会造成内存泄漏。

	~A()
	{
	    //假设类A的析构函数中有对其他指针进行delete或者free
		delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

int main()
{
	A* p2 = new A;
	free(p2);
	//delete p2;

	return 0;
}

5.3自定义类型new T[N]和delete的错配

我们看一下以下代码中delete p1和delete p2两个哪个有问题

class A
{
public:
	//析构
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

class B
{
private:
	int _b1;
	int _b2;
};

int main()
{
	B* p1 = new B[10];
	delete p1;
	//delete[] p1;//正常写法

	A* p2 = new A[10];
	delete p2;
	//delete[] p2;//正常写法
	
	return 0;
}

我们来说一下结论，以上代码中，delete p1是没问题的，delete p2则会导致程序奔溃。
在这里插入图片描述
原因是new A[10]申请了84个字节的空间，new B[10]申请了80个字节的空间，而p2开始进行delete的位置不对，从而导致程序崩溃。
在这里插入图片描述
为什么两则都是申请10个不同类型但大小一样的空间，得到的空间却不一样大，这主要是因为编译器的优化，因为我们A类的显示写了析构函数，而B类中没有显示写析构函数，我们知道delete[]的原理是先在释放的对象空间上执行N次析构析构函数，完成N个对象中资源的释放，而这个N就存放在这84个字节中额外的那4个字节中，这个N就是给delete[]使用的，而B中没有显示写析构函数，就代表着我们B没有资源需要释放，因此没有额外为N开辟空间。

总结：在使用new和delete的时候我们要正确匹配使用不要错配，new搭配delete使用，new T[N]搭配delete[]使用。

6.定位new表达式

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。
在这里插入图片描述

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a1 = 0)
		:_a1(a1)
	{
		cout << "A(int a)" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a1;
};

int main()
{
	//p1现在指向的只不过是和A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，
	//因为构造函数还没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;//如果A类的构造函数有参数的话，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;
}

7.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释放

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