【C++】你知道new但你知道operator new吗？(详解new和delete机制)

最新推荐文章于 2024-08-26 10:06:44 发布

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 算法 c语言

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本文介绍了C++中的内存管理，包括C语言的malloc、calloc、realloc和free函数，以及C++的new和delete操作符。C++的new不仅分配内存，还会调用构造函数，而delete在释放内存前会调用析构函数。此外，文章讨论了内存分配的区域，如栈、堆、静态区和常量区，并提到了内存泄漏及其危害。还涵盖了定位new表达式和内存管理的常见问题，如malloc/free与new/delete的区别。

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C&C++内存管理

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C&C++内存管理

0. 前言

在C语言中就有内存管理的功能，在C++中有对这部分功能进行了增添，因为C++不在是面向过程的语言，而是面向对象的语言，内存管理不像C语言那样简单，当然在C语言中的所有内存管理的方式在C++中也依然能够使用，C++兼容了它们，本文要讲解的是C++在内存管理方面所添加的功能。

1. C/C++内存分布

数据是分类存储在不同位置的，之所以要分类，是为了更好的管理。

通过一道例题来感受内存分布：

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);
}
1. 选择题：
   选项: A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
   globalVar在哪里？____   staticGlobalVar在哪里？____
   staticVar在哪里？____   localVar在哪里？____
   num1 在哪里？____
   
   char2在哪里？____   *char2在哪里？___
   pChar3在哪里？____      *pChar3在哪里？____
   ptr1在哪里？____        *ptr1在哪里？____
2. 填空题：
   sizeof(num1) = ____;  
   sizeof(char2) = ____;      strlen(char2) = ____;
   sizeof(pChar3) = ____;     strlen(pChar3) = ____;
   sizeof(ptr1) = ____;
3. sizeof 和 strlen 区别？

全局变量和全局静态变量和局部静态变量都存在数据段(静态区)。因此globalVar、 staticGlobalVar、 staticVar都存在静态区。
局部变量都存在栈里。因此localVar、 num1、char2、 pChar3、 ptr1都存在栈里。

其中localVar是一个普通的局部整形变量，num1、char2是一个数组， Char3、 ptr1是一个指针。

*char2是char2数组的元素，数组存在栈内，因此 *char2也在栈内。

字符常量存在代码段(常量区)。因此*pChar3是常量区内的。实际上上面的字符数组也是用常量区的常量拷贝得来的。
动态申请的空间存在堆上。因此*ptr1存在堆上。
数组名通常表示数组首地址，但在sizeof中表示整个数组，在&后表示数组指针。因此sizeof(num1) = 40;-> (整个数组的大小) sizeof(char2); ->(整个数组的大小包括’\0’) sizeof(pChar3) = 4/8;->(指针变量) sizeof(ptr1) = 4/8;->(指针变量)
strlen的大小是到’\0’之前的大小。因此strlen(char2)= 4; strlen(pChar3) =4；

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

malloc:申请一块空间但不会初始化。

calloc：申请一块空间并且初始化。

realloc:对原先申请的空间扩容，如果空间够会原地扩容，空间不够会异地找一块空间将数据拷贝过去。如果传入空指针，功能类似于malloc。

free:对申请的空间释放。如果传入空指针，就什么都不会做。

3. C++内存管理方式

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new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete操作内置类型

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	//申请一个int类型的空间
	//C语言方式
	//int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	//C++方式
	int* ptr1 = new int;

	//申请十个int类型的数组的空间
	//C语言方式
	//int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	//C++方式
	int* ptr2 = new int[10];

	//释放一个int类型的空间
	//C语言方式
	//free(ptr1);
	//C++方式
	delete ptr1;
	
	//释放int类型数组的空间
	//C语言方式
	//free(ptr2);
	//C++方式
	delete []ptr2;

	//申请一个int类型的空间并初始化
	//C语言方式
	//int* ptr3 = (int*)calloc(1, sizeof(int));
	//C++方式
	int* ptr3 = new int(0);

	//申请十个int类型的数组的空间并初始化
	//C语言方式
	//int* ptr4 = (int*)calloc(1, sizeof(int));
	//C++方式
	int* ptr4 = new int[10]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
	return 0;
}

C++的操作符new和delete的使用更加简洁相比于C语言的动态内存管理函数。

3.2 new/delete操作自定义类型

C++添加new/delete操作符就是为了更好的申请和释放自定义类型的成员。

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	// 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
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

注意：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。

4. 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。 operator new与operator delete是全局函数不是运算符重载。

下面的库内的代码实现：

/*
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)

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，观察库内的实现可以看出，实际上operator new和operator delete复用了C语言中的malloc和free函数，原因是C语言中实现的能够直接复用没必要再创造新的，另外由于C++作为面向对象的语言不同于C语言面向过程的语言更喜欢用抛异常的方式表示错误，而不是像C语言那样申请失败返回个空指针，为了满足这个抛异常的属性，C++用operator new和operator delete函数对malloc和free函数进行了封装。

通过查看汇编可以更好的查看这个过程：

new操作符调用了operator new函数并且调用了构造函数。

delete操作符调用了析构函数。

new的机制是先用operator new申请空间，然后调用构造函数。

delete的机制是先调用析构函数，再调用operator delete释放空间。

5. new和delete的实现原理

5.1 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。

5.2 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

**注意：**malloc和free或者new和delete建议配套使用，否则可能会产生问题(涉及到自定义类型内存在动态申请的空间)。

new T[N]和delete[]的配套使用也是需要注意的，否则可能会产生问题：

由于A类中不涉及动态内存申请的空间，因此即使析构函数少调用了也不会报错，但是还是报错了，这和visual studio下的实现方式有关，vs在用new T[N]时会在数据空间前多申请一段空间用于记录需要调用多少次析构函数：

用delete函数去释放空间时，记录调用析构函数次数的空间没有被释放，因此报错。

为了证明这个观点，我们不写析构函数运行以下这段代码：

由于没有写析构函数，并且编译器认为没必要调用析构函数，因此不会多申请一块记录调用析构函数次数的空间，因此用delete释放空间不会报错。

注意：new T[]多申请一块记录调用析构函数次数的空间是visual studio的处理方式不同的编译器可能处理方式不同。

6. new失败的机制

前面讲了C++作为面向对象的语言更喜欢抛异常的方式，而不是像C语言申请失败返回空指针的方式，关于抛异常由于涉及到很多后续的知识，因此本文只是简单的演示一下：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	try
	{
		int size = 0;
		while (1)
		{
			int* a = new int[1024 * 1024 * 100];
			size += 1024 * 1024 * 500;
			cout << size / 1024 / 1024 << "MB" << endl;
		}
	}
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

try catch会捕捉异常，出现异常直接终止程序：

7. 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。

在定位new语句后aa调用构造函数初始化了。

值得注意的是构造函数是无法显式调用的，而定位new算是显式调用了构造函数，析构函数是能够显示调用的。

定位new如果是像上图中代码的使用方式，价值就不大了，不如直接使用new。但是在某些场景下就会变得很有价值，关于这个问题，需要先了解内存池的概念：动态申请空间是在堆上申请，但是堆的空间比较大，从堆上申请空间效率不一定够高，因此在堆上取一块好申请空间的位置叫做内存池，如果内存池空间足够，直接从内存池申请空间，提高申请空间的效率，如果内存池空间不够，会从堆中申请一块比实际需要的空间大的空间到内存池中，以便内存池下一次申请空间。在内存池中申请空间是不被初始化的，此时定位new的作用就得到体现了。

内存池在stl库内常常使用，因此定位new还是很有价值的。

8. 内存管理常见问题

8.1 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