内存管理

一.C/C++内存分布二.C++内存管理方式1.new、delete操作内置类型2.new、delete操作自定义类型3.32位、64位机器的区别

三.operator new与operator delete函数四.new和delete的实现原理1.内置类型2.自定义类型1.new的原理2.delete的原理3.new T[N]的原理4.delete[]的原理

五.定位new表达式(placement-new)六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）

一.C/C++内存分布

总结：

栈（堆栈）：非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。数据段：存储全局数据和静态数据。代码段：可执行的代码/只读常量。

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

二.C++内存管理方式

C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free。

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<code>new和delete操作符进行动态内存管理。

1.new、delete操作内置类型

#include<iostream>

using namespace std;

int main()

{

//动态申请一个int类型的空间，未初始化

int* p1 = new int;

//动态申请一个int类型的空间并初始化为10

int* p2 = new int(10);

//动态申请10个int类型的空间，未初始化

int* ptr1 = new int[10];

//动态申请10个int类型的空间，并初始化前5个，后面默认为0

int* ptr2 = new int[10] { 1, 2, 3, 4, 5};

delete p1;

delete p2;

delete[] ptr1;

delete[] ptr2;

return 0;

}

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.new、delete操作自定义类型

<code>#include<iostream>

using namespace std;

struct ListNode

{

int val;

ListNode* next;

ListNode(int x)

:val(x)

,next(next)

{ }

~ListNode()

{

cout << "~ListNode()" << endl;

}

};

int main()

{

//new对于自定义类型：调用构造函数

ListNode* n1 = new ListNode(1);

ListNode* n2 = new ListNode(2);

ListNode* n3 = new ListNode(3);

ListNode* n4 = new ListNode(4);

n1->next = n2;

n2->next = n3;

n3->next = n4;

n4->next = nullptr;

//delete对于自定义类型：调用析构函数

delete n1;

delete n2;

delete n3;

delete n4;

return 0;

}

#include<iostream>

using namespace std;

class A

{

public:

A(int a1 = 0, int a2 = 0)

:_a1(a1)

, _a2(a2)

{

cout << "A(int a1 = 0, int a2 = 0)" << endl;

}

A(const A& a)

:_a1(a._a1)

, _a2(a._a2)

{

cout << "A(const A& a)" << endl;

}

~A()

{

cout << "~A()" << endl;

}

private:

int _a1 = 1;

int _a2;

};

int main()

{

A* p1 = new A;

A* p2 = new A(1, 2);

//构造+拷贝构造：初始化3个自定义空间

A aa1(1, 1);

A aa2(2, 2);

A aa3(3, 3);

A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };

//构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数

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

//A aa1 = { 1,1 }; 隐式类型转换：构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数

A* p5 = new A[3]{ { 1,1}, { 2,2}, { 3,3} };

//delete

return 0;

}

总结：new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于自定义类型除了开空间，还会调用构造函数和析构函数，但内置类型是几乎是一样的。

3.32位、64位机器的区别

32位的描述

#include<iostream>

using namespace std;

int main()

{

//malloc申请空间失败，返回NULL指针

//new申请空间失败会抛出异常，需要捕捉异常

//throw try/catch 如下：

try

{

int n = 1;

while (1)

{

// 1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024*1024*1024 Byte

void* p1 = new char[1024 * 1024]; // 1 MB = 1024*1024 Byte

cout << p1 << "->" << n << endl;

++n;

}

}

catch(const exception& e)

{

cout << e.what() << endl;

}

return 0;

}

三.operator new与operator delete函数

<code>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。

四.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。

int main()

{

int* p = new int(10);

//free(p);

delete(p);

int* p1 = new int[10];// ->malloc

//free(p1);

delete(p1);// ->free

//对于内置类型：delete与free互用都可行

}

2.自定义类型

1.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。

2.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。

#include<iostream>

using namespace std;

class A

{

public:

A(int a, int* ptr)

: _a(a)

, _ptr(ptr)

{ }

~A()

{

delete _ptr;//释放_ptr指向的数据，防止内存泄漏

cout << "~A():" << this << endl;

}

private:

int _a;

int* _ptr;

};

int main()

{

A* p1 = new A(1, new int(2));

//free(p1); 不会调用析构函数，导致内存泄漏

delete p1; //调用析构函数，防止内存泄漏

return 0;

}

3.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。

4.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。

#include<iostream>

using namespace std;

class A

{

public:

A(int a = 1)

:_a(a)

{ }

private:

int _a = 2;

};

class B

{

public:

B(int b = 2)

:_b(b)

{ }

~B()

{ }

private:

int _b = 2;

};

int main()

{

A* p1 = new A[10];

B* p2 = new B[10];

delete p1; //未写析构函数，编译器做了优化

//delete p2; //写了析构函数，编译器未做优化，程序崩溃

delete[] p2; //正确的写法

return 0;

}

总结：new与delete一定要匹配使用，不要错配，否则有程序崩溃的风险。

五.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（用operator new分盘空间）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。

class A

{

public:

A(int a = 0)

: _a(a)

{

cout << "A()：" << this << endl;

}

~A()

{

cout << "~A()：" << this << endl;

}

private:

int _a;

};

int main()

{

A* p1 = new A(1);//先开空间，再调用构造函数初始化p1

delete p1;//先调用析构函数，再释放p1

A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));//只开空间，未调用构造函数（相当于malloc）

new(p2)A(1);//调用构造函数初始化p2

p2->~A();//调用析构函数

operator delete(p2);//释放p2

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。

六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）

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

空间中资源的清理释放。