【C++】C/C++内存管理(二)

简介: 【C++】C/C++内存管理(二)

4. operator new与operator delete函数

接下来我们来了解一点底层的东西,看两个函数——operator new与operator delete


首先要说明一点:


虽然这两个函数的函数名是operator 操作符,但是,operator new与operator delete并不是new 和 delete的重载,而且我们之前学过重载operator和操作符之间是没空格的。

operator new与operator delete是库里面的两个全局的函数。


那它们两个和我们今天讲的内容有什么关系呢?


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。


那operator new与operator delete底层又是如何实现的呢?


我们可以简单看一下它们的源代码:

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可以看到,operator new实际也是借助malloc来申请空间的,申请成功直接返回,申请失败则抛异常。

然后来看一下operator deleted944ede370b945449993b0028680b04d.png

operator delete实际也是利用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的应对措施,如果用户提供该措施就继续申请,否则就抛异常。

operator delete 最终也是通过free来释放空间的。

可以认为operator new与operator delete本质是对malloc和free的一个封装。

而我们的new和delete其实在底层又是去调用operator new与operator delete去完成动态内存的申请和释放的。


那大家想一下:


为什么new和delete不直接去使用malloc和free实现呢,中间又搞出来一层operator new与operator delete呢?

🆗,我们知道C++是一门基于面向对象的编程语言,面向对象的编程语言在发生错误时一般都是抛异常的,而C语言这些malloc函数发生错误时是不是都不会抛异常啊,像malloc如果申请失败是返回空指针,是不是不满足需求啊,所以,这里用operator new与operator delete对malloc和free进行了一个封装。

以此来满足在C++里的一些需求。

5628d71d8afa42a89a7e5652ebb9fc4a.png

当然,与A* p3 = new A[10];这种场景匹配,还有operator new[]operator delete[]

bcfdc80d8b5a428b8975dea71a290ffa.png

然后operator new[]里面其实还是调operator new

d0462f259f864351a7e4c2823ccb3558.png

ee0bdd469fa4465c95c3ce2fb3e912e7.png

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可以认为区别不是很大。

需要注意的地方是: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。

new在申请空间失败时是抛异常,而malloc是返回NULL。

5.2 自定义类型

  1. new的原理
  1. 调用operator new函数申请空间,operator new实际又调用malloc
  2. 在申请的空间上执行构造函数,完成对象的构造
  1. delete的原理
  1. 在要释放的对象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,operator delete实际调free释放对象的空间
  1. new 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
  1. delete[]的原理
  1. 在要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

🆗,那了解了这些东西,我们其实就可以简单的理解一下上面提到的一个问题了:

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那为什么不匹配的话,有些情况没事,有些情况就出问题了呢?


比如说我们new一个自定义类型,那正常情况下我们应该使用delete去释放,那如果我们用free,可能会出现什么问题?

我们来分析一下:

我们知道对于自定义类型delete是会去调用析构函数的,然后再去释放对象在堆上的空间;所以如果我们用free的话,相当于没有对对象进行析构,那自定义类型不析构,一定会有问题吗?

是不是要看情况啊,如果类中不存在资源申请(比如我们之前实现的日期类),是不是不析构也不会有什么问题;但如果类中存在资源申请(栈Stack类),那我们不析构的话是不是就内存泄漏了啊。

所以我们一定要匹配的使用,要不然有些情况下就出现问题了。

但是呢?内存泄漏我们知道是检测不出来的,并不会直接报错。


那在有些场景下如果我们不匹配使用是会报错的:


我们还来看这个类:

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

e691d4ce483a458090d352499d2cfe96.png

然后我们来new一个10个对象大小的数组,在这种场景下,我们试一下会发现,不论我们用free还是delete,只要不匹配,运行都会出错:

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只有我们用delete[]才没事:

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首先我们用free的话是没有调析构函数的,用delete只调一次,但是我们这里10个对象,析构应该调10次的。

但是呢?这些都不是报错的真正原因,我们上面说过了,没调析构函数,即使内存泄漏也不会报出来的。


那这里程序之所以会崩溃报错其实是跟编译器的实现机制有关系:


大家有没有发现我们new的时候传了一个10告诉编译器我们要申请10个对象大小的空间,但是我们delete[]的时候并没有指定个数,编译器怎么知道应该析构10次呢?

🆗,那我们的编译器呢有一种机制,当然我是以我们现在使用vs来说的,那它会怎么做呢?

拿我们当前的程序来说,我们new了一个10个对象的数组,我们一个A对象4个字节,所以应该开40个字节的空间,但是呢,编译器在这里会多开4个字节空间来专门存储这个对象个数10,存起来就是为了delete[]的时候用。

那这样的话:

57fbc553933943e8bb6c1dc15db6f9c6.png

那我们现在去free的时候,指针位置是不是不对啊,这才是真正出错的原因,因为free必须给的是指向空间起始位置的指针。

那delete[]为什么就没事呢?

它呢会从返回的位置向前减4个字节然后取到存起来的对象个数,那它就知道要调用几次析构函数了,然后释放的时候呢,它会从当前位置向前偏4个字节去释放。

所以说,这种情况一定要匹配使用。

当然并不是所有的编译器都会这样做,我们现在说的是在我们目前用的vs上。


那再给大家说一个东西:


刚才我们用delete和free程序不是都崩溃了嘛,那我们现在做这样一件事:

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把析构函数注释掉。然后:

c2e5e67768064a478b2c7b9e8e7fceaa.png

我们发现delete就不报错了。

为什么呢?

🆗,那原因就在于我们把析构函数屏蔽掉了,那编译器呢很聪明,它识别了一下发现我们没有写析构函数,默认生成的不调好像也无所谓,那这时它就不会再多开前面的4个字节了,所以这次程序没有崩溃。

6. malloc/free和new/delete的区别

我们再来总结一下 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

malloc申请空间失败时,返回的是NULL,因此使用时要判空:

27d849957c8948ffaf851f1ea663a910.png

new不需要,但是new失败抛异常,需要捕获异常:

4e6f8f2c62d641bcbb8059489572dd0d.png

  1. 关于异常的捕获,大家先简单了解一下,后面我们会讲。
  2. 申请自定义类型对象时,malloc/free只会开辟和释放空间,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

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。

举个栗子:

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

还是这样一个类A。

263e0e8bb25e4c45b9c3d189529ac1ea.png

通过之前的学习我们知道这样直接拿A定义一个对象它是会自动调用构造函数进行初始化的。

但如果这样呢?2cb31025c5e54cb086e1545c52a62f48.png

这里我们malloc出一个A,然后强转为A*,那这样做这里是不会对这块空间初始化的:

b183d1239d6f44d2aaae22ae57b2b07b.png

那如果现在我们想在这块已经开辟出来的空间对指针p1指向的对象初始化,要怎么做呢?

那我们就可以使用定位new来搞:

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是参数列表

那我们想给当前p1指向的对象初始化就可以这样:

074817eb42ae470fab02fed9ddb18686.png

因为类A的构造函数我们给了缺省值,所以这里我们可以自己传参也可以不传使用缺省值。

a33b67124a3340c49ae2d0377c788be8.png

但是呢:


我们可能会觉得这个定位new好像没什么意义,我们直接new一个对象出来他不就自动调用构造函数了,为啥非得再去用定位new去初始化呢,没必要啊。

确实是这样的,但是在某些特定场景下,是需要使用定位new的:

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,需要使用定位new显式调用构造函数进行初始化。

🆗,那这篇文章的内容呢就到这里,欢迎大家指正!!!

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