【C++练级之路】【Lv.5】动态内存管理（都2023年了，不会有人还不知道new吧？）

欢迎各位小伙伴关注我的专栏，和我一起系统学习C++，共同探讨和进步哦！

学习专栏：

《进击的C++》

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一、C/C++内存分布

让我们再来回顾一下，C/C++的程序内存分布，以便于我们更好地理解。

【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。
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。（学习Linux中会详细讲解）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
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

二、new和delete的使用方式

2.1 C语言内存管理

回顾一下之前学习的C语言内存管理的方式，这里用最常用的malloc举例：

void Test()
{
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p == nullptr)
	{
		perror("malloc fail");
		return 1;
	}
	//...
	free(p);
	p = nullptr;
}

2.2 C++内存管理

有些场景，C语言内存管理用起来很麻烦，甚至无法达到相应的效果。所以C++就引入了两个操作符——new/delete

2.2.1 new和delete操作内置类型

void Test()
{
	//动态申请1个int类型的空间
	int* p1 = new int;
	//动态申请10个int类型的空间
	int* p2 = new int[10];
	//...
	delete p1;
	delete[] p2;
}

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[]，匹配起来使用。

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同时，C++使用new还有一个好处，那就是动态申请空间时初始化。

void Test()
{
	//动态申请1个int类型的空间并初始化为1
	int* p1 = new int(1);
	//动态申请10个int类型的空间并初始化为1，2，3，4，5
	int* p2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};
	//...
	delete p1;
	delete[] p2;
}

2.2.2 new和delete操作自定义类型

其实，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。

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

int main()
{
	A* p1 = new A;//会调用构造函数初始化
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));//不会

	A* p3 = new A[10];//会调用构造函数初始化
	A* p4 = (A*)malloc(10 * sizeof(A));//不会
	return 0;
}

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。

三、new和delete的底层原理

3.1 operator new与operator delete函数

我们知道，对于对象，new先开辟空间，再调用构造函数，delete先调用析构函数，再释放空间。那么，它们是如何开辟和释放空间的呢？

这就关乎到operator new与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。

注意：别看有operator，其实和运算符重载没有关系（这里只是取函数名的人取的不好罢了。。。）

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下面给出两个函数的具体实现（看不懂没关系，大概理解意思即可）

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: 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：本质是一个宏，也是调用_free_dbg这个函数

#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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简单理解：operator new是对malloc进行封装，operator delete是对free进行封装（类似对比：引用的底层原理也是指针实现的）

所以，这也解释了为什么new不需要检查指针的有效性，因为malloc失败了返回空指针，而new失败了抛异常。

3.2 原理总结

3.2.1 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。

3.2.2 自定义类型

• 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

四、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。

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/replacement new
int main()
{
	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;
}

看到这里，有人可能就会问，直接new和delete不是自动调用构造/析构函数吗？为什么还要先malloc，再用定位new调用构造函数呢，这不是多此一举吗？

其实，正常情况下，确实直接用new和delete就可以了，而定位new是使用在一种特殊场景——内存池。

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式调构造函数进行初始化。

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如果你还要问为什么要用内存池，因为向操作系统申请空间较慢，而直接向创建好的内存池申请空间就很快！

就比如，楼下有超市（操作系统），你家有冰箱（内存池），直接从超市一次性买一周的食物存在冰箱里，比每天下楼买食物，要快捷和方便吧。

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