[C++] 一篇带你了解C++中动态内存管理，new让大家都有对象

拼搏现实的明天。 2023-10-14 19:01 22阅读 0赞

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**目录**

1、C/C++内存分布

2.、C语言中动态内存管理方式：malloc、calloc、realloc

3、C++内存管理方式

3.1 new/delete操作内置类型

3.2 new和delete操作自定义类型

3.3 malloc与new的异常处理机制

4、operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数

4.1.1 operator new源码

4.1.2 operator delete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的原理

5.2.2 delete的原理

5.2.3new T\[N\]的原理

5.2.4 delete\[\]的原理

6、定位new表达式（了解）

7、malloc/free和new/delete的区别

7.1 malloc/free和new/delete 相同点

7.2 malloc/free和new/delete 不相同点

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## 1、C/C++内存分布 ##

我们先来了解一下C/C++内存分配的几个区域，以下面的代码为例来看：

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);
    }

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**说明：**

> 1**. 栈**又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。  
> 2. **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。
> 
> 3. **堆**用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。  
> 4. **数据段/静态区**\--存储全局数据和静态数据。  
> 5. **代码段/常量区**\--可执行的代码/只读常量。

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

malloc：向内存申请一块空间，成功的话返回内存块的指针，失败返回空指针（NULL）；

calloc：向内存申请一块空间，并逐字节初始化为0，成功的话返回内存块的指针，失败返回空指针（NULL）；

realloc：调整动态开辟的内存大小。

我们以代码举例来看看：

int mian()
    {
    	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    
    	int* p2 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 10);// 扩容，若是异地扩容realloc会将p1的内容
    	free(p2);									  // 拷贝到p2开出的内存中并释放掉p1的内存
    
    	int* p3 = (int*)calloc(1, sizeof(int));// 开辟四个字节空间，并初始化为 1
    	free(p3);
    	
    	return 0;
    }

## 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 ###

int main()
    {
    	// 管理对象
    	// 动态开辟一个int类型的空间
    	int* p1 = new int;
    	// 动态开辟一个int类型的空间，并初始化为1
    	int* p2 = new int(1);
    
    	//管理对象数组
    	// 动态开辟一个int类型的数组
    	int* p3 = new int[10];
    	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
    	int* p4 = new int[10]{};// 不写初始化值，默认初始化为 0
    	// 动态开辟一个int类型的数组，并初始化
    	int* p5 = new int[10]{ 1,2,3 };// 前三个分别初始化为1 2 3，后面默认初始化为 0
    
    	//释放开辟的内存
    	delete p1;
    	delete p2;
    	delete[] p3;// 对应释放数组加[]
    	delete[] p4;
    	delete[] p5;
    
    	return 0;
    }

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我们启动监视窗口看看结果：

![9341b8a4a439ef34224b961e223b450e.png][]

**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。

### 3.2 new和delete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* a1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    
    	A* a2 = new A;
    
    	free(a1);
    
    	delete(a2);
    
    	return 0;
    }

我们来看看malloc、new开辟动态内存 与 free、delete释放内存。

我们先来看结果：

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这里分别自动调用了一次构造函数与析构函数。这里到底是谁调用的呢？

对于C语言来说，是不存在构造函数的，因此C语言设计的malloc是不会自动调用构造函数的，free也是不会调用析构函数，但是对于C++来讲，是面向对象的，new与delete会在开辟与释放内存时调用构造函数与析构函数。

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。

### 3.3 malloc与new的异常处理机制 ###

int main()
    {
    	int* p1 = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024);
    	cout << p1 << endl;
    
    	int* p2 = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024);
    	cout << p2 << endl;
    
    	try
    	{
    		char* p3 = new char[0x7fffffff];
    	}
    	catch (const exception& e)
    	{
    		cout << e.what() << endl;
    	}
    
    	return 0;
    }

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当malloc失败时返回空指针，而new失败了会抛异常。  
**new失败后，直接会跳到异常捕获语句，不执行new后面的代码，如果我们不捕获异常程序就会终止掉。异常的捕获只会在try、catch里面，不在里面就不会捕获异常。**

## 4、operator new与operator delete函数 ##

### 4.1 operator new与operator delete函数 ###

C++的标准库里提供了operator new与operator delete函数，但是这两个函数**不是重载**，只是名字像重载，是系统提供的两个全局函数，**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。

我们来分别看看源码：

#### 4.1.1 operator new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);
    }

operator new里封装了malloc，失败了会抛异常，

#### 4.1.2 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)

**总结：**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。**

## 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 ###

#### 5.2.1 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

#### 5.2.2 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

#### 5.2.3new T\[N\]的原理 ####

1. 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  
2. 在申请的空间上执行N次构造函数

#### 5.2.4 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，实际在operator delete\[\]中调用operator delete来释放空间

## 6、定位new表达式（了解） ##

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**

**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。

class A
    {
    public:
        A(int a = 0)
        : _a(a)
        {
        cout << "A():" << this << endl;
        }
        ~A()
        {
        cout << "~A():" << this << endl;
        }
    private:
    	int _a;
    };
    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; // 显示调用构造函数 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);// 显示调用构造函数
        p2->~A();
        operator delete(p2);
        
        return 0;
    }

## 7、malloc/free和new/delete的区别 ##

### 7.1 malloc/free和new/delete 相同点 ###

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放

### 7.2 malloc/free和new/delete 不相同点 ###

> 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

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