[C++笔记]动态内存管理(new与delete)

new和delete操作符

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些场合无法达到需要的效果，且使用起来比较麻烦，为此C++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。

格式：

new data_type;

void Test(){
	//动态申请一块int类型的空间
	int* ptr4 = new int;
	//动态申请一块int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);
	//动态申请10个int元素的空间给int数组
	int* ptr6 = new int[10];
	//为数组动态申请空间并初始化
	int* ptr7 = new int[7] {1,2,3,4};
	
	//释放动态申请的空间
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
}

-new不必像malloc那样每次申请完后检查是否成功开空间，new失败不通过返回空指针来告知，而是通过抛异常(面向对象语言常用的处理错误的方式)。
-C++中不推荐像在C中那样使用mallco与free等来进行动态内存管理。
不应混用C与C++的动态内存管理方式，混用可能会导致不确定的结果，甚至导致程序崩溃。
-对于内置类型，两种方式差别不大。对于自定义类型，C++的方式更有优势：

#include<iostream>
using namespace std;

class A{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A(){
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main(){
	//new/delete 与 malloc/free最大区别是：
	//new/delete 对于自定义类型，除了开空间，还会调用其构造函数与析构函数
		A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	//对于内置类型，两种方式是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));//C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);//C
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

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是库提供的全局函数(注意，不是运算符重载！)，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 函数实际是通过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，则尝试执行空间不足应对措施，如果用户设置了相应的应对措施，则执行该措施并继续申请，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
			//若申请内存失败了，则抛出bad_alloc类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

//operator delete 函数实际是通过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：free是宏函数，调用了 _free_dbg
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

所以，operator new 和 operator delete本质上是 malloc 和 free 的封装。

new和delete的实现原理

对于内置类型

若申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，需注意的是：

1. new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请和释放的是连续空间。
2. new在申请空间失败时会抛异常，malloc则会返回NULL。

对于自定义类型

-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，而在operator new[]中调用了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，实际是在operator delete[]中调用operator delete来释放空间。

malloc/free与new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，且需由使用者手动释放。
不同的地方是：

用法：

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符。
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
3. 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。
4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟了空间的类型。

底层：

1. 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。
2. 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。