C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

Ne0inhk

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C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

前言

  • 在上一篇博客中，我们探讨了 C/C++ 语言的内存分布模型，并对比了 C 与 C++ 内存管理的核心差异，初步认识了 C++ 中new与delete的基本概念，为理解 C++ 内存管理体系奠定了基础。
  • 本文将在此基础上，深入解析 C++ 内存管理的核心机制，从底层原理到实践细节展开系统讲解，帮助读者全面掌握这一重要知识模块。
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一、C++内存管理方式

1. new/delete操作内置类型

  • 在 C 语言里有它自己的内存管理办法，但用起来比较麻烦，而且有些情况处理不了。
  • C++ 为了解决这些问题，引入了new和delete操作符来进行动态内存管理。
#include<iostream>usingnamespace std;voidTest(){int* ptr4 =newint;// 动态申请一个int类型的空间int* ptr5 =newint(10);//动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr6 =newint[3];//动态申请3个int类型的空间delete ptr4;delete ptr5;//delete ptr6;//错误在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：//如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：//内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。//未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等delete[] ptr6;}
  • 在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：
  • 如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：例如上面代码中的int* ptr6 = new int[3]与delete ptr6
内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。
未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等
在这里插入图片描述

2. 异常与内存管理的联系（简单了解）

  • 在使用new申请内存时，如果系统没有足够的内存可供分配，就可能会抛出异常。
  • 所以在进行内存管理时，要考虑到这种可能出现的异常情况，确保程序的健壮性。
#include<iostream>usingnamespace std;voidTest(){try{// 动态申请一个 int 类型的空间int* ptr4 =newint;// 动态申请一个 int 类型的空间并初始化为 10int* ptr5 =newint(10);// 动态申请 3 个 int 类型的空间int* ptr6 =newint[3];// 使用分配的内存*ptr4 =5; cout <<"Value of ptr4: "<<*ptr4 << endl; cout <<"Value of ptr5: "<<*ptr5 << endl;for(int i =0; i <3;++i){ ptr6[i]= i; cout <<"Value of ptr6["<< i <<"]: "<< ptr6[i]<< endl;}// 释放内存delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;}catch(const bad_alloc& e){// 捕获内存分配失败的异常 cerr <<"Memory allocation failed: "<< e.what()<< endl;}}intmain(){Test();return0;}
在这里插入图片描述
#include<iostream>usingnamespace std;voidFunc(){int i =1;while(1){int* p1 =newint[1024*1024]; cout << i <<"->"<< p1 << endl; i++;}}intmain(){try{Func();}catch(const std::exception& e){ cout << e.what()<< endl;}}
在这里插入图片描述
  • 这段代码定义了一个名为 Func 的函数，该函数在一个无限循环中不断尝试分配大约1MB的内存。
  • 由于没有适当的内存释放，这将最终导致内存耗尽，从而抛出 std::bad_alloc 异常。
  • 在 main 函数中， Func 被调用并被包裹在一个 try-catch 块中，以捕获并处理可能抛出的异常。
然而，由于 std::bad_alloc 异常没有被直接捕获（ catch 块中捕获的是 std::exception 的引用），所以实际上这段代码可能不会按预期工作，因为 std::bad_alloc 可能在到达 catch 块之前就已经导致程序终止

3. new和delete操作自定义类型

  • 在 C++ 里，new 和 delete 除了能操作基本数据类型，还可以操作自定义类型。
自定义类型是程序员自己定义的类型，像类、结构体等.
  • 以下是new 和 delete 操作基本数据类型的简单代码
#include<iostream>usingnamespace std;classPerson{public:Person(constchar* _name,int _age){ name = _name; age = _age; cout <<"Person 构造函数被调用，名字: "<< name <<", 年龄: "<< age;};~Person(){ cout <<"Person 析构函数被调用: "<< name <<", 年龄: "<< age;}private:constchar* name;//一个指向常量字符的指针类型int age;};intmain(){// 使用 new 创建 Person 对象 Person* person =newPerson("Alice",25);// 使用 delete 释放对象内存delete person;return0;}
在这里插入图片描述
这段代码定义了一个 Person 类，包含姓名和年龄两个属性，还有构造函数和析构函数。在 main 函数里，使用 new 操作符创建一个 Person 对象，然后使用 delete 操作符释放对象的内存。

二、 operator new与operator delete函数（重点）

1. new和delete操作符与operator new和operator delete函数的关系

  • 前面我们讲到new和delete是用来动态申请和释放内存的操作符。比如，你想创建一个int类型的变量，就可以用new操作符来申请内存：
int* ptr =newint;
  • 当你不再需要这块内存时，就得用delete操作符释放它：

这里的new操作符在底层会调用operator new全局函数来申请内存空间

在这里插入图片描述
delete ptr;

delete操作符在底层会调用operator delete全局函数来释放内存空间

在这里插入图片描述

2. operator new函数的工作原理

  • operator new函数的作用是申请内存空间，它实际上是借助malloc函数来实现的。

下面是它的工作步骤：

  • 尝试申请内存：调用malloc函数去申请指定大小的内存空间。
  • 检查申请结果：
    • 成功：若malloc申请内存成功，就直接返回这块内存的指针。
    • 失败：若malloc申请内存失败，会尝试执行用户设置的空间不足应对措施。
    • 用户设置了应对措施：继续尝试申请内存。
    • 用户未设置应对措施：抛出std::bad_alloc类型的异常

下面是operator new函数的简化代码：

void*operatornew(size_t size){void*p;while((p =malloc(size))==0){if(用户设置的应对措施函数(size)==0){// 申请内存失败，抛出异常staticconst std::bad_alloc nomem;throw nomem;}}return p;}

3. operator delete函数的工作原理

  • operator delete函数的作用是释放内存空间，它最终是通过free函数来实现的。
下面是它的工作步骤：
  • 检查指针是否为空：若传入的指针为空，直接返回，不做任何操作。
  • 释放内存：调用free函数释放这块内存空间。

下面是operator delete函数的简化代码：

voidoperatordelete(void*pUserData){if(pUserData ==NULL)return;free(pUserData);}
  • new操作符在底层调用operator new函数来申请内存空间，operator new函数又借助malloc函数来申请内存。
  • delete操作符在底层调用operator delete函数来释放内存空间，operator delete函数最终通过free函数来释放内存。
  • 若malloc申请内存失败，operator new函数会尝试执行用户设置的应对措施，若没有设置则抛异常

三、 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

1. 定位 new 表达式的概念

一般而言，使用new操作符时，它会做两件事：

  • 一是为对象分配内存；二是调用对象的构造函数来初始化这块内存。
  • 而定位 new 表达式有所不同，它是在已经分配好的原始内存空间里调用构造函数来初始化对象。

2. 定位 new 表达式的使用格式

在C++中，定位 new 的语法如下

new(address) Type

在address指向的内存空间创建一个type类型的对象

new(address) Type[size]
  • 在address指向的内存空间创建一个type类型的对象，并且用size里的值来初始化对象。
  • 这里的address得是一个指针，size是类型的初始化列表

3. 定位 new 表达式的使用场景

  • 在实际运用中，定位 new 表达式通常和内存池配合使用。
  • 内存池分配的内存并未初始化，要是分配的是自定义类型的对象，就得使用定位 new 表达式来显式调用构造函数进行初始化
#include<iostream>intmain(){// 分配一块原始内存char* rawMemory =newchar[sizeof(int)];// 使用定位new在原始内存上构造一个int对象int* intPtr =new(rawMemory)int(42);// 输出构造的int对象的值 std::cout <<"Value of int object: "<<*intPtr << std::endl;// 显式调用析构函数（对于基本类型，这一步不是必需的，但对于自定义类型是必需的） intPtr->~int();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return0;}
#include<iostream>classMyClass{public:MyClass(int value):data(value){ std::cout <<"Constructor called with value: "<< data << std::endl;}~MyClass(){ std::cout <<"Destructor called for value: "<< data << std::endl;}private:int data;};intmain(){// 分配一块原始内存char* rawMemory =newchar[sizeof(MyClass)];// 使用定位new在原始内存上构造一个MyClass对象 MyClass* myObjPtr =new(rawMemory)MyClass(10);// 显式调用析构函数 myObjPtr->~MyClass();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return0;}

四、malloc/free和new/delete的区别

1. 相同点

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

  • 不过，他们的不同点是

2. 不同点

一个是函数，一个是操作符

  • malloc/free 是 C 语言的库函数：需要包含头文件 <stdlib.h>，用函数的方式调用（比如 malloc(size)）。
  • new/delete 是 C++ 的操作符：是 C++ 语言内置的功能，用法更简洁（比如 new int）

new 会 “初始化”，malloc 不会

malloc 申请的内存是 “脏的”：里面可能是随机的垃圾值。比如：

int* p =(int*)malloc(sizeof(int));// *p 的值不确定，可能是任意数
  • new 申请的内存会被 “初始化”：
    • 对内置类型（如 int、double），new int 不会初始化，但 new int() 会初始化为 0；
    • 对自定义类型（如类），new 会自动调用构造函数，完成对象的初始化（比如给成员变量赋值）。

空间大小：new 自动计算，malloc 要手动算

  • malloc 需要自己算大小：必须用 sizeof 计算需要的字节数，比如申请 5 个 int 的空间：
int* p =(int*)malloc(5*sizeof(int));// 手动算 5*4=20 字节
  • 如果算错（比如漏掉 sizeof 或乘错数），就会出 bug
  • new 自动知道要多大：直接写类型和数量即可，比如：
int* p =newint[5];// 自动申请 5 个 int 的空间，不用算字节数

new 不用强转，malloc 需要

malloc 返回 void* 指针：使用时必须强制转换类型，比如：

int* p =(int*)malloc(sizeof(int));// 必须强转成 int*

new 直接返回对应类型的指针：比如 new int 直接返回 int*，不需要强转：

int* p =newint;// 直接是 int* 类型，不用强转

错误处理：malloc 返 NULL，new 抛异常

  • malloc 申请失败返回 NULL：必须检查是否为 NULL，否则解引用（比如 *p）会导致程序崩溃：
int* p =(int*)malloc(sizeof(int));if(p ==NULL){// 必须判空！// 处理内存不足的情况}
  • new 申请失败会抛出异常：默认会抛出 std::bad_alloc 异常，需要用 try-catch 捕获（或者用 new(nothrow) 版本返回 NULL，但不常用）：
try{int* p =newint;// 失败会抛异常，不会返回 NULL}catch(std::bad_alloc& e){// 处理异常}

自定义类型：new/delete 会 “照顾” 对象，malloc/free 不会

malloc/free 只负责搬砖：

  • malloc 只会分配一块足够大的内存，但不会调用类的 构造函数（比如初始化成员变量）；
  • free 只会释放内存，但不会调用类的 析构函数（比如释放对象内部申请的资源）。
    这样会导致对象没被正确初始化或清理，造成错误或内存泄漏。

new/delete 会 “盖房子” 和 “拆房子”：

  • new 分配内存后，会自动调用类的构造函数，初始化对象（比如给成员变量赋值）；
  • delete 释放内存前，会自动调用类的析构函数，清理对象内部的资源（比如释放成员指针指向的内存）。

以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索C++中模板初阶更多精彩内容。

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