【C++】内存管理（new与delete）

前言

本篇文章我们一起来学习C++的内存管理方式，实际上C++与C语言的内存管理模式是十分相似的，他们的内存分布完全一致，C语言所学习的内存管理函数在C++中仍然适用，而new与delete的产生主观上认为是为了解决自定义类型的内存管理。

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1.C/C++内存分布

复习下C语言的内容：

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);
}
//1. 选择题：
//选项 : A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
//globalVar在哪里？____ staticGlobalVar在哪里？____
//staticVar在哪里？____ localVar在哪里？____
//num1 在哪里？____
//char2在哪里？____ * char2在哪里？___
//pChar3在哪里？____ * pChar3在哪里？____
//ptr1在哪里？____ * ptr1在哪里？____
//2. 填空题：
//sizeof(num1) = ____;
//sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
//sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
//sizeof(ptr1) = ____;
//3. sizeof 和 strlen 区别？

答案：

1. 选择题：

 选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)

 globalVar在哪里？__C__  staticGlobalVar在哪里？__C__

 staticVar在哪里？__C__  localVar在哪里？__A__

 num1 在哪里？__A__

 分析:

 globalVar全局变量在数据段 staticGlobalVar静态全局变量在静态区

 staticVar静态局部变量在静态区  localVar局部变量在栈区

 num1局部变量在栈区

 char2在哪里？__A__  *char2在哪里？__A__

 pChar3在哪里？__A__   *pChar3在哪里？__D__

 ptr1在哪里？__A__    *ptr1在哪里？__B__

 分析:

 char2局部变量在栈区  

 char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上

 pChar3局部变量在栈区   *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

 ptr1局部变量在栈区     *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

2. 填空题：

 sizeof(num1) = __40__;//数组大小,10个整形数据一共40字节

 sizeof(char2) = __5__;//包括\0的空间

 strlen(char2) = __4__;//不包括\0的长度

 sizeof(pChar3) = __4__;//pChar3为指针

 strlen(pChar3) = __4__;//字符串“abcd”的长度，不包括\0的长度

 sizeof(ptr1) = __4__;//ptr1是指针

全局变量和在全局定义的静态变量的区别：

• 最主要的区别在于链接属性不同，static修饰的全局变量只在当前文件可用，而全局变量其他文件也可以使用。

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，栈空间由系统分配，但可以通过函数alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放。
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。（了解）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的，堆只能动态分配，不能静态分配。
4. 数据段--存储全局数据和静态数据。
5. 代码段--可执行的代码/只读常量

🔎做几道小题🔍

分析：

A.栈区主要存在局部变量和函数参数，其空间的管理由编译器自动完成，无需手动控制，堆区是自己申请的空间，在不需  要时需要手动释放

B.栈区先定义的变量放到栈底，地址高，后定义的变量放到栈顶，地址低，因此是向下生长的，堆区则相反

C.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题

D.32位系统下，最大的访问内存空间为4G,所以不可能把所有的内存空间当做堆内存使用，故错误

答案：D

分析：

A.堆大小受限于操作系统，而栈空间一般有系统直接分配

B.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题

C.堆无法静态分配，只能动态分配

D.栈可以通过函数alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放

答案：C

2.C++内存管理方式

C++为了解决自定义类型的内存管理，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。

2.1new/delete操作内置类型

void Test()
{
  // 动态申请一个int类型的空间
  int* ptr4 = new int;
  // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
  int* ptr5 = new int(10);
  // 动态申请10个int类型的空间
  int* ptr6 = new int[3];//int* ptr6 = new int[3]{1,2,3}初始化
  delete ptr4;
  delete ptr5;
  delete[] ptr6;
}

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

2.2new/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* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
  A* p2 = new A(1);
  free(p1);
  delete p2;
  // 内置类型是几乎是一样的
  int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
  int* p4 = new int;
  free(p3);
  delete p4;
  A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
  A* p6 = new A[10];
  free(p5);
  delete[] p6;
  return 0;
}

new/delete 和 malloc/free最大区别:

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

operator new与operator delete是系统提供的两个全局函数,本质上可以等价为malloc和free,他们不会调用构造函数与析构函数.

那C++为什么会存在这两个全局函数,他们的意义是什么呢?

我们知道new操作符可以干两件事:

1.开空间

2.调用构造函数

那开空间是怎么开的呢?

实际上就利用了operator new这个全局函数.

可是本来不是有malloc,为啥又单独弄一个operator new呢?

我们知道C++是面向对象的语言,而malloc如果申请失败的话返回的是0,可是面向对象的语言可不认这个0,面向对象语言对于失败的处理一般都是抛异常,也就是说operator new就是malloc的封装,只不过多实现了抛异常这个过程罢了.

那delete在底层释放空间时也是会调用operator delete,其余的细节和上面相似就不过多赘述了.

另外对于new T[n]和delete[],C++也提供了他们对应开空间的全局函数,分别为operator new[]与operator delete[],实际上这两个全局函数的内部还是operator new与operator delete,大家可以理解为换皮(仅为了区分用).

🐸总结一下🐸

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，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

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

4.高频面试题

👓malloc/free和new/delete的区别👓

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。

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