【C++】C/C++内存管理：

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本篇的内存管理主要是动态内存管理。
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1.C中的malloc、realloc、calloc和free函数：

【面试问题】

malloc、calloc和realloc的区别是什么？

  • malloc申请的内存值是不确定的
  • calloc却在申请后，对空间逐一进行初始化，并设置值为0

异地扩容的释放问题：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int* p0 = (int*)calloc(4, 4);
	int* p2 = (int*)realloc(p0, sizeof(int) * 10);
	cout << p0 << endl;
	cout << p2 << endl;
	//free(p0);
	free(p2);
	return 0;
}

image-20230403090130358

❓请问这里p0需要free释放吗？

📚不需要，程序直接挂了，因为异地扩容的时候拷贝后会将原来的空间释放了

image-20230403090246495

【问题】

image-20230403103409195

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);
}

讲解几个比较容易犯错的：

💡char2是一个指针，存在栈上，*char是指向“abcd”的

char char2[] = "abcd";

image-20230403105348272

💡pchar3是一个指针，存放在栈上，*pchar3是“abcd”是常量字符串不可以修改，存放在常量区

image-20230403201650168

2.C++内存管理方式：

2.1为什么C++需要增加new这个关键字：

class A
{
	A()
	{
		p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	}
	~A()
	{
		free(p);
		p = NULL;
	}
public:
	int* p;
};

❓C语言中的malloc函数不是可以很好解决开辟空间的问题吗。为什么还要在C++中增加new呢？

💡解：因为C++中有类对象，我们可能会在类对象中我们可能需要开辟空间，而在free的时候，我们只是把类这个变量的空间释放了，但是类中开辟的动态空间可能没有释放造成内存泄漏。

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。

2.2new和delete的使用方法：

📚类型指针 指针名=new 类型

📚数组：类型指针 指针名=new 类型[对象个数]

new开辟出来的变量可以进行初始化

image-20230410081700867

  • 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。

2.2.1编译器如何区分delete 类型和delete[]:

int main()
{
	int* a1 = new int;
	int* a2 = new int[10];
	delete[] a2;
	return 0;
}

❓编译器如何区分到底是要释放几个呢？

image-20230410091700209

编译器一共在new的时候开辟了10空间，但是编译器会额外开辟一个位置在最前面，用来记录开了多少个空间，当释放时如果new和delete不匹配时，会少释放一个位置然后报警告

image-20230410092044025

开辟的是一个自定义对象的空间的话，会更加严重

img

类中显式写了析构函数，编译器认为这个类有资源，会在申请的空间之前再申请一小块空间，用于存储对象个数等信息，当new T[]和delete不匹配时，会少释放记录位，造成内存泄漏并报错。

❓我们将写的析构函数屏蔽一下，运行成功了这是为什么？

编译器发现没有析构函数，然后类的成员变量也不是动态开辟，不需要析构的时候释放，不调用析构也无所谓，就运行成功了，他开数组也就没有多开一个空间去匹配，多开这个空间的意义是用来判断需要多少次执行多少次析构函数的

2.3operator 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。

2.3.1operator new与operator delete函数底层原理：

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 );//调用free()
     __FINALLY
         _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
     __END_TRY_FINALLY
     return; }
//free的实现
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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。

2.4new和delete的实现原理

2.4.1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。

2.4.2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
  • 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

2.4.3示例演示：

new会调用构造函数，new是关键字，malloc那些是函数

image-20230403093338660

new可以初始化

int* p1 = new int(10);

int* p2 = new int[10]{ 1,2,3,4 };

new的底层是malloc

image-20230403212542540

delete要先调用析构函数，在释放p指向的空间

class Stack
{
public:
	Stack()
	{
		cout << "Stack()" << endl;
		_a = new int[4];
		_top = 0;
		_capacity = 4;
	}
	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;
		delete[] _a;
		_top = _capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int _top;
	int _capacity;
};
int main()
{
	//int* p5 = new int;
	Stack* s1 = new Stack;
	free(s1);
	return 0;
}

最好配套使用，free不会析构

image-20230403215041016

image-20230403215221989

底层细节

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image-20230403221203838

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3.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：

  • 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，
    如果是多个对象，[]中指定对象个数即可
  • 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

4.定位new：

4.1定位new的写法：

int main()
{
	A a;
	a.~A();
	a.A();
	return 0;
}

image-20230410095711503

对于一个类，我们可以显式的去调用类的析构函数，但是不能显式调用构造函数，那么使用定位new，就可以显式调用类的构造函数，对一块空间重新初始化。

4.2定位new的使用方法：

new (指针) 类名或者new (指针) type(初始化列表)

int main()
{
	Date d1;
	new(&d1)Date;//new (指针)类名
	Date* p = new Date[4]{ {2022,10,15},{2023,11,8} };
	new(p)Date[4];//new (指针) type(初始化列表)
	delete[] p;
	return 0;
}

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。

4.2定位new的使用方法：

new (指针) 类名或者new (指针) type(初始化列表)

int main()
{
	Date d1;
	new(&d1)Date;//new (指针)类名
	Date* p = new Date[4]{ {2022,10,15},{2023,11,8} };
	new(p)Date[4];//new (指针) type(初始化列表)
	delete[] p;
	return 0;
}

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。
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