C++内存管理 | new和delete使用与原理简单介绍

1.new和delete操作符基本使用

C++使用new和delete操作符来管理堆上的动态资源。

对内置类型操作

对内置类型，不做初始化处理，使用new和delete和malloc和free申请内置类型的资源没有什么太大的区别。需要注意的区别：判断是否申请到资源，malloc ：成功申请到资源，返回指向该内存的指针；分配失败，返回 NULL 指针；而new ：资源分配成功，返回该对象类型的指针；分配失败，抛出 bac_alloc 异常

int main()
{
	// 动态申请1个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;

	// 动态申请1个int类型的空间，并初始化
	int* ptr2 = new int(5);

	// 动态申请连续的5个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[5];
	
	return 0;
}

对自定义类型操作

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。使用 [] 申请连续的资源，会为每个对象分别调用一次构造函数和析构函数。

class student
{
public:
	student() {
		cout << "student()" << endl;
	}

	~student() {
		cout << "~student()" << endl;
	}
private:
	string name = "张三";
	int age = 18;
};

int main()
{
	student* stus = new student[2];

	delete[] stus;
    return 0;
}

输出结果：

student()
student()
~student()
~student()

2.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最终会调用malloc分配空间，operator delete会调用free的释放空间。而在Linux下，malloc开辟空间会调用系统的brk（）或mmap（）系统调用。

/*
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)

关于重载new 和delete 操作符

一般来说我们不会重载new 和delete。

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。

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。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A(){
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
	//p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;  // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
	p1->~A();
	free(p1);
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

3.常见面试题

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：

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后跟的是空间的类型
5. 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

6. 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

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况，内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害（内存泄漏害怕的是一点一点泄漏）：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

一般分为，堆内存泄漏(Heap leak)和系统资源泄漏；堆内存泄漏是在使用malloc或new动态申请的资源，忘记调用free或delete释放；而系统资源泄漏指的是指程序使用系统分配的资源，比如：套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

如何避免内存泄漏

事前预防，在编码是注意手动去释放，也可以使用一些智能指针来避免。出错是不可避免的，事后查错，通过一些内存泄漏的工具或系统通过的接口（Windows下_CrtDumpMemoryLeaks()函数）来排查。

在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具

在windows下使用第三方工具：VLD工具说明

其他工具：内存泄漏工具比较