【C++初阶】—— C++内存管理

前言：关于C++最基础的类和对象，已经带领大家了解过了，现在让我们来结合之前C语言的内存管理，来进入C++内存管理的了解！

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

1. C语言内存管理方式

C语言中动态内存管理的函数：malloc/calloc/realloc/free

// malloc申请内存，它们的使用十分的不方便，而且不能初始化

A* ptr =(A*)malloc(sizeof(A));

// 面对自定义类型，malloc根本无法处理 

malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化，无法自动调用变量的构造/析构函数，因此在C++上设计出能符合我们需求的方法

2. C++内存管理方式

因为C++兼容C语言，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，接下来让我们来了解一下这两个操作符

new 和 delete

对于内置类型

使用new来开辟空间

void test()
{
  // 动态申请一个int类型的空间
  int* ptr1 = new int;
  
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr2 = new int(10);
  
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr3 = new int[3];
  
  ......
}

使用delete来释放空间:

void test()
{
  int* ptr1 = new int;
  int* ptr2 = new int(10);
  int* ptr3 = new int[3];
  
  delete ptr1;
  delete ptr2;
  // 释放多个空间时，需要带上[]
  delete[] ptr3;
}

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[]
• 一定一定一定一定要匹配起来使用！！！

对于自定义类型

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

int main()
{
  pxt* p1 = (pxt*)malloc(sizeof(pxt));
  pxt* p2 = new pxt(1);
  
  free(p1);
  delete p2;
  // 内置类型是几乎是一样的
  pxt* p3 = (pxt*)malloc(sizeof(pxt)*10);
  pxt* p4 = new pxt[10];
  
  free(p5);
  delete[] p6;
  
  return 0;
}

注意：

• 对于内置类型来说new/delete 和 malloc/free没有太大的区别
• 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

3. operator new与operator delete函数

new和delete工作能够正常完成得益于这两个全局函数！

• 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

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
  void *p;
  while ((p = malloc(size)) == 0)
  if (_callnewh(size) == 0)
  {
  // 如果申请内存失败了，这里会抛异常
  static const std::bad_alloc nomem;
  _RAISE(nomem);
  }
  return (p);
}

operator new：

• 透过底层我们能看见new的实现就是通过malloc来开辟空间
• 开辟空间成功,会返回指向此空间的指针
• 开辟空间失败,会抛异常 (后面章节会专门分析异常)

operator delete

#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
void operator delete(void *pUserData)
{
  _CrtMemBlockHeader * pHead;
  RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
  
  if (pUserData == NULL) return;
  
  _mlock(_HEAP_LOCK); 
  __TRY

  pHead = pHdr(pUserData);

  _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
  // 调用_free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)实现free功能
  _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );
  __FINALLY
  _munlock(_HEAP_LOCK);
  __END_TRY_FINALLY
  return;
}

透过底层我们能看见delete的实现就是通过free来释放空间的

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

4. new和delete的实现原理

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：

• 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
• new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL

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

5. 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：

• 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

注意：这些区别重在去理解它们，而不是去强记

内存泄漏

既然学习内存管理当然要了解一下操作不当的危害，关于内存泄漏我们只需要简单了解就行

内存泄漏的概念

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

内存泄漏的危害： 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

void test()
{
  // 1.内存申请了忘记释放
  int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
  int* p2 = new int;
}

内存泄漏分类

堆内存泄漏(Heap leak)

• 堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一

块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分

内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄漏

• 指程序使用系统分配的资源，比方套接字、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

• 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证
• 采用RAII思想或者智能指针来管理资源

• 有些内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项
• 出问题了使用内存泄漏工具检测

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

• 1、事前预防型。如智能指针等。
• 2、事后查错型。如泄漏检测工具。

现阶段关于内存泄漏我们只需要了解一下有这个东西就行

6. 总结

此章我们从和C语言对比并且在底层上分析，C++内存管理我们就算是简单了解了，并且C++和C语言中的内存管理区别我们也都分析了，关于malloc/free和new/delete的区别这个很重要，希望大家能理解它们的区别，下节我们来谈谈C++的模板！

谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！