C++内存管理new和delete

2023-12-22 08:28:39

1 C语言中动态内存管理方式

1.1 malloc/realloc/calloc和free

需要注意realloc动态内存可能会导致的二次释放问题

void test()
{
	//malloc:申请一段空间
	char* ptr = (char*)malloc(sizeof(char));

	//调整空间大小
	char* ptr2 = (char*)realloc(ptr, 2 * sizeof(char));

	//申请新的空间，功能类似于malloc
	char* ptr3 = (char*)realloc(NULL, sizeof(char));

	char* ptr4 = (char*)realloc(ptr3, sizeof(char) * 100);
	//ptr指向的空间不能显示释放
	free(ptr);
	//只能显示释放realloc返回后的空间，传入realloc中的指针空间不能显示释放
	free(ptr2);

	free(ptr3);
	free(ptr4);//ptr3所指向的空间二次释放

	//calloc:申请一段空间+全部初始化为0
	char* ptr5 = (char*)calloc(4, sizeof(int));
}

2 C++内存管理方式

2.1 new/delete操作内置类型

void test()
{
	//用malloc申请一段空间
	int* mptr = (int*)malloc(sizeof(int));
	//释放空间
	free(mptr);

	//C++:操作符new申请空间
	int* ptr = new int;
	//delete:释放空间
	delete ptr;

	//申请空间+初始化为10--->4byte
	int* ptr1 = new int(10);
	delete ptr1;

	//申请连续空间,baohan包含10个元素---> 40byte,内容为随机值
	int* ptr2 = new int[10];

	//释放连续空间  delete[]
	delete[] ptr2;

}

2.2 new/delete操作自定义类型

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	A(int a)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "清理资源" << endl;
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a = 10;//C++11新玩法：以给成员变量一个缺省值
};
void test()
{
	A* mpa = (A*)malloc(sizeof(A));
	free(mpa);
	cout << "--------" << endl;

	//自定义类型：new：申请空间+调用构造函数进行空间内容的初始化
	//类型指针 指针变量=new leiixng 类型 --->调用默认构造（无参，全缺省）
	A* pa1 = new A;

	//类型指针 指针变量= new类型（参数列表）--->调用带参构造
	A* pa2 = new A(10);

	//自定义类型：delete：调用析构完成资源清理+空间释放
	delete pa1;
	delete pa2;

	//自定义类型：连续空间
	//new[]: 申请空间+调用N次构造函数，注意，需要有默认构造函数
	A* arrA = new A[3];
	//delete[] 调用N次析构+空间释放
	delete[] arrA;
}

3 operator new与operator delete

3.1 operator new与operator delete函数

void test()
{
	 //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。
	//operator new不是new运算符重载
	//函数原型 void* operator new(size_t n)
	void* ptr = operator new(sizeof(int));
	//void* ptr2 = new sizeof(int);//编译不会通过

	//operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
	//oprator delete 不是delete的运算符重载函数
	//void opeartor delete(void *ptr)
	void* p1 = nullptr;
	int* p2 = nullptr;
	operator delete(p1);
	operator delete(p2);
	delete ptr;

	//opeartor new 和 operator delete是全局函数
	//tamendeshiyongfangshileisiyu它们的使用方式类似于malloc/free
	int* ptr3 = (int*)operator new(sizeof(int));
	int* ptr4 = (int*)malloc(sizeof(int));

	//operator new:malloc+异常
	int ptr5 = (int*)operator new(0x7fffffff);
	int* ptr6 = (int*)malloc(0x7fffffff);

	//operator delete:用于封装free
	//opeartor delete(ptr)
	free(ptr);
}

3.2 new和delete的调用规则

class A
{
public:
	A(int a=10)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};
void test()
{
	//内置类型
	//new :operator new--->malloc
	int* ptr = new int;
	//delete:operator delete--->free
	delete ptr;
	//new[] :opeartor new[]--->operator new --->malloc
	int* ptr2 = new int[10];
	//delete[]:opeartor delete[]--->operator delete--->free
	delete[] ptr2;


	//自定义类型
	//new:operator new--->malloc-->调用构造函数
	A* pa = new A;
	//delete:析构--->opeartor delete-->free;
	delete pa;
	//new[]: opeartor new[]--->opeartor new--->malloc--->构造函数
	A* pa2 = new A[10];
	//delete[]: N次析构--->operator delete[]--->operator delete--->free
	delete[] pa2;

}

3.3 new和delete实现原理

3.3.1 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。

3.3.2 自定义类型

new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间
new T[N]的原理
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
在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理
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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

3.4 operator new与operator delete的类专属重载

struct ListNode
{
public:
	ListNode(int data=1)
		:_data(data)
	{
		cout << "ListNode()" << endl;
	}
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
	void* operator new(size_t n)
	{
		cout << "operator new" << endl;
		//采用内存池的方式
		allocator<ListNode>alloc;
		cout << "memory pool allocate" << endl;
		return alloc.allocate(1);
	}
	void operator delete(void* ptr)
	{
		cout << "operator delete" << endl;
		allocator<ListNode> alloc;
		alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
		cout << "memory pool deallocate" << endl;
	}
private:
	int _data = 0;
	ListNode* _next = nullptr;
};
void test()
{
	ListNode* node = new ListNode;
	delete node;
}

可以清晰地看到new和delete的调用规则。

4 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。

class A
{
public:
	A(int a)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int)" << endl;
	}
private:
	int _a;
};
void test()
{
	A* pa = (A*)malloc(sizeof(A));
	//初始化已有空间
	//new 定位表达式：new(指针) 类型(参数列表(可选))
	//对空间进行初始化，显示调用构造函数
	new(pa) A(10);

	//显示调用析构，完成资源清理
	pa->~A();
	free(pa);
}

5 malloc/free 和 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：

malloc和free是函数，new和delete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只需在其后跟上空间的类型即可
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
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
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

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