【C++入门】C++内存管理

前言

C/C++内存分布

C++内存管理方式

1. new和delete操作内置类型

快速了解与使用

2. new和delete操作自定义类型

3. operator new与operator delete

4. operator new [ ]

*5.定位new

6. malloc/free和new/delete的区别

总结

前言

C++作为一种面向对象的编程语言，继承了C语言的内存管理特性，同时也引入了更加灵活和高级的内存管理机制。在C++中，内存管理涉及到动态内存分配、内存释放、内存泄漏等问题，对于程序的性能和稳定性都有着重要的影响。本文将详细介绍C++中的内存管理。

在这里插入图片描述

C/C++内存分布

我们先来了解一下C/C++中内存区域的划分：

栈：栈是用来存放局部变量和函数调用信息的地方。当一个函数被调用时，它的参数和局部变量会被压入栈中，当函数执行完毕时，这些数据会被自动弹出。栈的大小是有限的，通常在几兆字节到几十兆字节之间

堆：堆是用来存放动态分配的内存的地方。在堆中分配的内存需要手动释放，否则会导致内存泄漏。堆的大小通常受系统总内存的限制，可以动态扩展

数据段：这个区域用来存放全局变量和静态变量。全局变量在程序整个运行周期内都存在，而静态变量在它们所在的函数执行期间存在，但是在程序整个运行周期内都存在

代码段：这个区域存放程序的代码和常量数据，如字符串常量。这部分内存通常是只读的

目前的学习了解这几个即可。

C++内存管理方式

1. new和delete操作内置类型

C++继承了C语言的内存管理特性，C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但在C++一些使用场景下C的内存管理使用时又有些比较麻烦。于是C++引入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。

快速了解与使用

使用示例：

int main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* p2 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* p3 = new int[3];
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;
}

new和delete要配合使用

不可malloc开空间，delete释放或者new开空间，free释放

new和delete使用时类型要相符

比如：使用 new 开空间，delete [ ] 释放，new [ ] 开空间，delete 释放（不可）

new 和delete申请和释放空间必须是完整连续的

与C语言中malloc和free类似，使用new来申请一块内存空间，那么必须使用delete来释放整块内存

2. new和delete操作自定义类型

以一个简单的栈为例：

class Stack
{
public:
	Stack(int capacity = 4)
	{
		cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;

		_a = new int[capacity];
		_top = 0;
		_capacity = capacity;
	}

	~Stack()
	{
		cout << "~Stack()" << endl;

		delete[] _a;
		_a = nullptr;
		_top = 0;
		_capacity = 0;
	}
private:
	int* _a;
	int  _top;
	int  _capacity;
};



int main()
{
	Stack* p1 = new Stack;
	delete p1;
}

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

Stack* p1 = new Stack; //主要干两件事：开空间 + 调构造

先给Stack 指针 p1开块空间
调用构造函数给p指向的空间进行初始化

delete p1; // 析构 + 释放空间

先释放_a的空间（先释放p1空间会导致_a指向空间丢失）
释放p1指向的空间

3. operator new与operator delete

看到operator或许你已经有了猜想，new和delete其实就是操作符

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，里边封装了malloc和free，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

Stack* p1 = new Stack;
delete p1;


Stack* p2 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));
operator delete(p2);

在调用时new 和 operator new（delete 和 operator delete）其实是不一样的，通过两种方式的输出结果就可以看出来。

只有new 和 delete 调用了构造和析构。

operator new 并不具备初始化的作用，它存在的意义：new对自定义类型是开空间和调构造，而operator new用于new的开空间操作。

operator delete 只有释放空间的作用，并不会调用析构函数他的意义是为了与new 配对。

4. operator new [ ]

开单个对象的空间我们了解了，那开多个对象的空间是怎么开的？

一次申请10个Stack对象的空间
调用10次构造函数（给每个对象的_a开空间）

operator new [ ] 的底层其实调用的是operator new，实际调用的关系：

operator new [ ] --> operator new --> malloc

operator new [ ]在函数内计算出要开的字节大小，然后使用operator new 去开空间：

32位环境下，开10个stack对象的空间，size应该是120，可为什么是124？

这多出的4个字节开在开头位置：

这多开出的4个字节空间存储的其实是new [ ]中的值（申请Stack对象的个数）。

这个空间的数据就是申请空间Stack对象的个数，例子中我开10个Stack对象空间，所以存储的是10.

这个10实际上是为delete [ ] p3 准备的，在调用 delete [ ]时调用10次析构函数，释放每个对象_a的空间；

delete [ ] 释放空间时会连同这4个字节一起释放（让指针回到new [ ]所开空间最开始的位置）这也就是为什么建议使用 new 和 delete 时配合使用。

因为使用new [ ] 开空间，一旦自定义类型的对象涉及到内存申请，使用delete就会导致释放的空间不完整（delete会导致最开始的4字节空间不被释放），程序就会挂掉。

建议： new / delete、new [ ] / delete [ ]、malloc / free 一定要配对使用

*5.定位new

在了解定位new之前，先思考一个问题，构造函数能不能显示调用？

答案是不能，下边是测试的代码，可以自己测试一下。

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*)operator new(sizeof(A));
	//p1->~A(1);
	return 0;
}

虽然构造函数没法正常的进行显示调用，但是我们可以使用定位new来显示调用构造函数

new(p1)A; //new(p1)A(1);

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

构造函数不能直接显示调用，析构函数可以直接显示调用

p1->~A(); //调用析构
operator delete(p1); // 释放空间

总的来说：

// new 效果
A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p1)A;

// delete 效果
p1->~A();
operator delete(p1);

应用场景：

那定位new有什么用？直接用 new 和 delete 不是更简洁

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用

在一些应用场景中，可能涉及到频繁的new申请空间，这样效率很低，为了解决效率问题，就有了池化技术——内存池

频繁的申请空间麻烦，那就一次多申请一些空间，使用时调用构造函数进行初始化。

这时调用构造函数就需要使用定位new。

6. 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，new可以捕获异常
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