【C++干货铺】内存管理new和delete

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C语言中动态内存管理方式

malloc/calloc/realloc的区别？

C++内存管理的方式

内置类型

自定义类型

operator new 和 operator delete 函数

operator new

operator delete

new和delete的实现原理

内置类型

new的原理

delete的原理

new T[N]的原理

delete[]的原理

定位new表达式（placement-new）

malloc/free和new/delete的区别

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

内存泄漏分类

如何避免内存泄漏

C语言中动态内存管理方式

内存开辟函数：

malloc/cealloc/realloc

内存销毁函数：

free

int main()
{
	//malloc
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(ptr);
	//calloc
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	//realloc
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) );
	free(ptr3);
	return 0;
}

malloc/calloc/realloc的区别？

malloc

void* malloc (size_t size);

分配大小为字节的内存块，返回指向块开头的指针。新分配的内存块的内容不会初始化，而是保留不确定的值。如果 size 为零，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是 null 指针），但返回的指针不应被取消引用。

calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

为 num 元素数组分配一个内存块，每个元素的大小为字节长，并将其所有位初始化为零。有效的结果是分配一个零初始化的 (num*size) 字节内存块。如果 size 为零，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是 null 指针），但返回的指针不应被取消引用。

realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size);

更改 ptr 指向的内存块的大小。即使将内存块移动到新位置，内存块的内容也会保留到新旧大小中的较小者。如果新大小较大，则新分配部分的值不确定。如果 ptr 是空指针，则该函数的行为类似于 malloc，分配一个新的大小字节块并返回指向其开头的指针。

更多C语言动态内存函数移步至此：

动态内存管理_小白不是程序媛的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_55119554/article/details/131737338

C++内存管理的方式

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。

内置类型

//内置类型

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* p = new int;
	//销毁动态申请的空间
	delete p;
	//动态申请一个int类型的空间并初始化为 0
	int* p2 = new int(0);
	delete p2;
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[10];
	delete p3;
	//动态申请10个int类型的空间并将前三个元素初始化为1,2,3 剩下的初始化为 0
	int* p4 = new int[10] { 1,2,3 };
	delete p4;
	return 0;
}

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。

自定义类型

//自定义类型

class A
{
public:
	A(int a=1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a=1;
};

int main()
{

	A* ptr = new A;
	delete ptr;
	A* ptr2 = new A(0);
	delete ptr2;
	A* ptr3 = new A[5];
	delete[10] ptr3;
	A* ptr4 = new A[5]{ 1,2,3 };
	delete[5] ptr4;

	return 0;
}

这就是C++中new不同于C语言中malloc，最大的作用：定义类并且可以初始化。

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。

operator new 和 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

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

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)

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。

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。

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

我们试着运行下上面的代码

定位new表达式（placement-new）

概念：

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。

使用场景：

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;
}

malloc/free和new/delete的区别

共同点：

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点：

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

内存泄漏

什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：

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：

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。

内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

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

1. 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。ps：
这个理想状态。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。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 有些公司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。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：