【C++庖丁解牛】C++内存管理 | new和delete的使用以及使用原理

作者���介 ：RO-BERRY

学习方向：致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识

日后方向 : 偏向于CPP开发以及大数据方向，欢迎各位关注，谢谢各位的支持

目录

• 1. C/C++内存分布
• 2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
• 3. C++内存管理方式
• • 3.1 new/delete操作内置类型
  • 3.2 new和delete操作自定义类型
  • 4. operator new与operator delete函数
  • 5. new和delete的实现原理
  • • 5.1 内置类型
    • 5.2 自定义类型
    • 6. 定位new表达式(placement-new) （了解）
    • 7. 常见面试题
    • • 7.1 malloc/free和new/delete的区别
      • 7.2 内存泄漏
      • 7.3 operator new和new的区别

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        1. C/C++内存分布

        我们先来看下面的一段代码和相关问题

        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？____

           答案为CCCAA

           globalVar为定义为全局变量，所以在静态区

           staticGlobalVar定义为static全局变量，在静态区，并且只在本文件可以使用，其他文件查找不到

           staticVar定义为函数体内的static变量，在静态区，并且只在本函数内可以使用，其他函数查找不到

           localVar定义为函数体内的整形，为栈区，函数结束销毁

           num1 定义为函数体内的数组，为栈区，函数结束销毁

           char2在哪里？____ *char2在哪里？___

           pChar3在哪里？____ *pChar3在哪里？____

           ptr1在哪里？____ *ptr1在哪里？____

           答案为AAAD

           char2定义为函数体内的字符数组，为栈区，函数结束销毁

           *char2为字符数组里的字符，为栈区，函数结束销毁

           pChar3为指针变量，存的是常量区的地址，为栈区，函数结束销毁

           *pChar3为常量字符串/字面量，存在常量区

           ptr1为指针变量，存的是堆区的地址，但是为栈区，函数结束销毁

           *ptr1为堆区

        2. 填空题：

           sizeof(num1) = ____;

           sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;

           sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;

           sizeof(ptr1) = ____;

           num1为十个整形的数组，大小为40

           char2为字符数组，存储的是“abcd\0”，大小为5

           char2的长度为4

           pChar3的大小为4或者8，看为32位还是64位

           pChar3的长度为4

           ptr1的大小为4或者8

        3. sizeof 和 strlen 区别？

           sizeof和strlen是C语言中的两个关键字，用于获取变量或字符串的大小。它们的区别如下：

           • sizeof：sizeof是一个运算符，用于获取变量或数据类型的大小（以字节为单位）。它可以用于任何数据类型，包括基本数据类型（如int、float）和自定义数据类型（如结构体、数组）。sizeof返回的是一个无符号整数值。

           • strlen：strlen是一个函数，用于获取字符串的长度（以字符为单位）。它只能用于字符串类型（即以null字符’\0’结尾的字符数组）。strlen返回的是一个整数值，表示字符串中字符的个数，不包括null字符。

             总结一下：

             sizeof用于获取变量或数据类型的大小，而strlen用于获取字符串的长度。

             sizeof可以用于任何数据类型，而strlen只能用于字符串类型。

             sizeof返回的是字节数，strlen返回的是字符个数。

        【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。
        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。

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        2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

        void Test(){int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);// 这里需要free(p2)吗？free(p3);}

        在这段代码中，需要使用free(p2)来释放内存。虽然在后续使用realloc重新分配内存时，会将原来的内存块复制到新的内存块中，但是在这之前，我们仍然需要使用free来释放原来的内存块。这是因为realloc函数并不会自动释放原来的内存块，而是返回一个新的指针指向重新分配后的内存块。所以，在使用realloc之前，我们需要手动释放原来的内存块。

        .【面试题】

        1. malloc/calloc/realloc的区别？

        malloc、calloc和realloc都是C语言中用于动态存分配的函数，它们的区别如下：

        • malloc：malloc函数用于分配指定大小的内存块，并返回一个指向该内存块起始地址的指针。它只负责分配内存，并不对内存进行初始化，所以分配的内存中可能包含旧数据。
          • calloc：calloc函数也用于分配内存块，但与malloc不同的是，它在分配内存后会将内存块中的每个字节都初始化为0。因此，使用calloc分配的内存是被清零的。
            • realloc：realloc函数用于重新分配已经分配的内存块的大小。它接受两个参数：一个已经分配的内存块指针和新的大小。realloc会尝试重新分配指定大小的内存，并返回一个指向新分配内存起始地址的指针。如果重新分配成功，原来的内存块会被释放；如果失败，原来的内存块保持不变。需要注意的是，realloc可能会将原来的数据复制到新的内存块中，因此在使用realloc时需要小心处理指针引用问题。

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              3. C++内存管理方式

              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。

              3.1 new/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10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请3个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];// 动态申请3个int类型的空间，并初始化为1,2,3int* ptr7 = new int[3]{1,2,3};// 动态申请10个int类型的空间，并初始化为1,2,3,0,0,0,0,0,0int* ptr8 = new int[10]{1,2,3};     //new会为你没有初始化的空间默认初始化为0delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;delete[] ptr7;delete[] ptr7;}

              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。

              3.2 new和delete操作自定义类型

              class A{public:A(int a = 0): _a(a){cout cout // 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cout // try to allocate size bytesvoid* 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_FINALLYreturn;}/*free的实现*/#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)public:Stack(int capacity = 4){cout cout //构造函数自动调用Stack s1;Stack* p1 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));//不能这么显示调用构造函数//p1-Stack(1);//定位new可以显示调用构造函数new(p1)Stack(1);//析构函数可以显示调用p1-~Stack();return 0;}public:A(int a = 0): _a(a){cout cout // 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;}