【C++】一篇带你了解C++中的动态内存管理-优快云博客

目录

1. C/C++程序的内存开辟

2. C语言中的动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

2.1. malloc、calloc、realloc三者的区别在哪？

3. C++中的内存管理方式

3.1. new、delete操作内置类型

3.2. new、delete操作符操作自定义类型

3.3. new、malloc失败处理

4. operator new和operator delete

4.1. operator new和opeartor delete函数

4.1.1. 我们来看一看operator new中的源码

4.1.2. operator delete的源码

5.new 和 delete 的实现原理

5.1. 内置类型

5.2. 自定义类型

5.2.1 new原理

5.2.2 delete原理

5.2.3 new T[ ]原理

5.2.4 delete T[ ]原理

6. malloc/free和new/delete的异同

1. C/C++程序的内存开辟

首先我们先了解一下C/C++程序内存分配的几个区域：
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);
}
栈区：在函数运行时，函数内的局部变量的储存单元会在栈上被创建，在函数执行结束时这些储存单元会被自动释放。
堆区：一般是由程序员自主分配和和释放的，如果最后没有被释放的话，可能由OS回收。
数据段（静态区）：存放全局变量、静态变量。程序结束后由系统自动回收。
代码段（常量区）：存放常量、函数体（类成员函数、全局函数）的二进制代码。

从上面那副图中，我们可以清晰的看到，函数体中的局部变量都是在栈(stack)上分配空间的，而它们一出作用域就会被释放。而有static修饰的静态变量是储存在数据段的，而在数据段上创建的变量会在程序运行结束后销毁，也就是静态变量的数据周期更长。

2. C语言中的动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

在C语言中，我们通常使用malloc、calloc、realloc来进行内存的动态分配，同时提供了free来进行内存的释放和回收。而这三个内存分配的函数我们要重点强调它们的区别和使用。

2.1. malloc、calloc、realloc三者的区别在哪？

malloc：是申请一块连续的内存，并返回指向这块内存的指针
calloc：与malloc的功能一样，只不过在返回指针之前，将所有申请到的空间的字节初始化为0
realloc：能够实现对空间的动态调整

我们从对着三个函数的定义也能看到区别：
void Test()
{
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	cout << sizeof(p1) << endl;
	free(p1);

	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	cout << sizeof(p2) << endl;
	cout << sizeof(p3) << endl;

	free(p3);
}

3. C++中的内存管理方式

我们当然知道C++肯定是兼容C语言的内存管理方式的，但是有的时候C的内存管理方式确实无能为力，这时候就需要用到C++自己的内存管理方式：使用new、delete操作符进行动态内存管理。

3.1. new、delete操作内置类型

void Test1()
{
	int* pr1 = new int;
	int* pr2 = new int(1);
	int* pr3 = new int[3];
	int* pr4 = new int[3] {1};

	delete pr1;
	delete pr2;
	delete[]pr3;
	delete[]pr4;

}
我们先通过画图剖析一下这段代码：

然后我来调试一下这段代码，使用监视器逐语句看一下：

注意：申请和释放单个元素的空间使用new和delete，但是申请和释放连续空间需要使用new[ ]和delete[ ]，注意匹配使用！

3.2. new、delete操作符操作自定义类型
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 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
 
	return 0;
}
看这段代码中，p1是使用malloc开辟的，p2是使用new开辟的，代码的运行结果如下：

很明显有人调用了构造函数和析构函数，但是到底是谁调用的呢，我们通过监视器来看一下：

new、delete调用构造和析构函数

我们清晰地看到，在new、delete时分别会调用构造和析构函数，但是malloc、free并不会。

3.3. new、malloc失败处理

malloc失败后，会将返回一个空指针
new失败后，将会抛出异常

4. operator new和operator delete

4.1. operator new和opeartor delete函数

C++标准库还提供了operator new和opeartor delete两个函数，它们并不是两个函数重载，而是两个库函数。

4.1.1. 我们来看一看operator new中的源码

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);
}

这里从源代码可以看出，opreator new实际上是封装了malloc，如果malloc失败就会抛出异常。

4.1.2. operator delete的源码

//operator delete 源码
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)

同样可以看出，operator delete最后还是使用free来释放空间。

5.new 和 delete 的实现原理

5.1. 内置类型

如果是内置类型的话，new、malloc和delete、free效果差不多，只是对于单个元素而言使用new和delete，连续空间使用new[ ]和delete[ ]。

5.2. 自定义类型

5.2.1 new原理

调用operator new函数申请空间
再调用构造函数，完成对对象的构造

5.2.2 delete原理

先调用析构函数，完成对对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

5.2.3 new T[ ]原理

先调用operator new[]函数，在operator new[]中世纪调用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

5.2.4 delete T[ ]原理

在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成对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

！！！总结：

使用new进行内存分配时发生了两件事：

内存分配：调用 operator new → 调用 malloc

对象构造：在分配的内存上调用构造函数

同样我们说，delete是也发生了两件事：

对象销毁：调用析构函数
内存释放：调用 operator delete → 调用free

我们可以试着使用反汇编代码，可以更清晰看到实际的情况：

operator delete同理。

6. malloc/free和new/delete的异同

异：

四者都是从堆（Heap）上申请空间，并且需要手动释放

同：

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

（本篇完）