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C++动态内存管理

分类: 文章 • 2024-04-04 13:55:11

C++动态内存开辟

回忆C语言

再写C++动态内存开辟之前，我们先来回忆下C语言中是怎么做到动态内存开辟的吧。
我们知道C语言是通过 malloc、realloc、calloc三个函数来动态开辟内存空间，虽然都是动态开辟内存空间，但具体操作却又有很大不同，开辟的空间也有差异，总之用起来非常麻烦。如果记得不太清楚具体是怎么用的话，请移步C语言动态内存开辟。

主角出场 new、delete

我们知道C++是兼容C语言所有语法的，那也意味着可以兼容malloc\free来动态开辟内存，那为什么C++不采用现成的语法而要用 new和delete来动态开辟和释放内存呢？
原因就是因为有些地方就无能为力而且使用起来比较麻烦。
看看在C++中是怎么动态管理内存的吧：

  1. 操作内置类型
class Test
{
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
		cout << "Test is called" << endl;
	}

private:
	size_t _data;
};
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类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(3);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[3];
	
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

C++动态内存管理
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[]

2. 操作自定义类型

#include <iostream>
using namespace std;

typedef unsigned int  size_t;

class Array
{
public:
	Array()
		:_arr(nullptr)
		, _size(0)
	{}
	Array(size_t size)
		:_arr(nullptr)
		, _size(size)
	{
		cout << "Array is called" << endl;
	}
	~Array()
	{
		if (_arr)
		{
			cout << "~Array is called" << endl;
			delete[] _arr;
			_size = 0;
		}
	}
private:
	int* _arr;
	size_t _size;
};

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

	Array* p2 = new Array;
	Array* p3 = new Array(10);
	Array*p4 = new Array[5];

	free(p1);

	delete p2;
	delete p3;
	delete[] p4;
	return 0;
}

那么问题来了，这个会调用几次构造函数呢？ 7次？还是8次？
我们看看编译器怎么说：
C++动态内存管理
真相大白，是7次。
为什么会是七次而不是八次呢？我们后面再说。卖个关子 哈哈哈

operator new与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。
我们看看在库里面他是怎么实现的：

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void *p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)  //可以看出来operator new在底层用的是malloc
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			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;
}

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。
注意：operator new和operator delete用户也可以自己实现，用户实现时即可实现成全局函数，也可实现成类的成员函数，但是一般情况下不需要实现，除非有特殊需求。比如需要跟踪内存的申请与释放时：

void* operator new(void* p, const char* strFileName, const char* strFuncName, size_t
	lineNo)
{
	cout << strFileName << "--" << lineNode << "-- " << strFuncName << " delete:" << size << " " << p << endl;
	::operator delete(p);
}
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCDNAME__, __LINE__)
#define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCDNAME__, __LINE__)
#endif
int main()
{
	int* p = new int;
	delete(p);
	return 0;
}

new和delete的实现原理

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。

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
  • 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
  • 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

定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已分配好的原始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。
看个例子：

class Test
{
public:
	Test()
		:_data(0)
	{
		cout << "Test()" << this << endl;
	}
	~Test()
	{
		cout << "~Test()" << this << endl;
	}
private:
	int _data;
};
int main()
{
	//内存池技术一般用的是malloc，pt现在指向的只不过是与Test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
	Test* pt=(Test*)malloc(sizeof(Test));
	new(pt) Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
	delete pt;
	return 0;
}

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