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【C++】内存管理（new与delete）

article 2024/11/13 14:53:13

👀樊梓慕：个人主页

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前言

本篇文章我们一起来学习C++的内存管理方式，实际上C++与C语言的内存管理模式是十分相似的，他们的内存分布完全一致，C语言所学习的内存管理函数在C++中仍然适用，而new与delete的产生主观上认为是为了解决自定义类型的内存管理。

欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路，巧妙的方法可以事半功倍。

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GITEE相关代码：🌟fanfei_c的仓库🌟

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1.C/C++内存分布

复习下C语言的内容：

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？____
//char2在哪里？____ * char2在哪里？___
//pChar3在哪里？____ * pChar3在哪里？____
//ptr1在哪里？____ * ptr1在哪里？____
//2. 填空题：
//sizeof(num1) = ____;
//sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
//sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
//sizeof(ptr1) = ____;
//3. sizeof 和 strlen 区别？

答案：

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？__C__ staticGlobalVar在哪里？__C__

staticVar在哪里？__C__ localVar在哪里？__A__

num1 在哪里？__A__

  分析:

  globalVar全局变量在数据段 staticGlobalVar静态全局变量在静态区

  staticVar静态局部变量在静态区  localVar局部变量在栈区

  num1局部变量在栈区

char2在哪里？__A__ *char2在哪里？__A__

pChar3在哪里？__A__ *pChar3在哪里？__D__

ptr1在哪里？__A__ *ptr1在哪里？__B__

  分析:

  char2局部变量在栈区

char2是一个数组，把后面常量串拷贝过来到数组中，数组在栈上，所以*char2在栈上

  pChar3局部变量在栈区   *pChar3得到的是字符串常量字符在代码段

  ptr1局部变量在栈区     *ptr1得到的是动态申请空间的数据在堆区

2. 填空题：

sizeof(num1) = __40__;//数组大小,10个整形数据一共40字节

sizeof(char2) = __5__;//包括\0的空间

strlen(char2) = __4__;//不包括\0的长度

sizeof(pChar3) = __4__;//pChar3为指针

strlen(pChar3) = __4__;//字符串“abcd”的长度，不包括\0的长度

sizeof(ptr1) = __4__;//ptr1是指针

全局变量和在全局定义的静态变量的区别：

最主要的区别在于链接属性不同，static修饰的全局变量只在当前文件可用，而全局变量其他文件也可以使用。

说明：

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，栈空间由系统分配，但可以通过函数alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放。
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。（了解）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的，堆只能动态分配，不能静态分配。
数据段--存储全局数据和静态数据。
代码段--可执行的代码/只读常量

🔎做几道小题🔍

分析：

A.栈区主要存在局部变量和函数参数，其空间的管理由编译器自动完成，无需手动控制，堆区是自己申请的空间，在不需要时需要手动释放

B.栈区先定义的变量放到栈底，地址高，后定义的变量放到栈顶，地址低，因此是向下生长的，堆区则相反

C.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题

D.32位系统下，最大的访问内存空间为4G,所以不可能把所有的内存空间当做堆内存使用，故错误

答案：D

分析：

A.堆大小受限于操作系统，而栈空间一般有系统直接分配

B.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题

C.堆无法静态分配，只能动态分配

D.栈可以通过函数alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放

答案：C

2.C++内存管理方式

C++为了解决自定义类型的内存管理，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。

2.1new/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10
	int* ptr5 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[3];//int* ptr6 = new int[3]{1,2,3}初始化
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

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

2.2new/delete操作自定义类型

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*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);
	free(p1);
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;
	return 0;
}

new/delete 和 malloc/free最大区别:

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.

3.operator new与operator delete函数

operator new与operator delete是系统提供的两个全局函数,本质上可以等价为malloc和free,他们不会调用构造函数与析构函数.

那C++为什么会存在这两个全局函数,他们的意义是什么呢?

我们知道new操作符可以干两件事:

1.开空间

2.调用构造函数

那开空间是怎么开的呢?

实际上就利用了operator new这个全局函数.

可是本来不是有malloc,为啥又单独弄一个operator new呢?

我们知道C++是面向对象的语言,而malloc如果申请失败的话返回的是0,可是面向对象的语言可不认这个0,面向对象语言对于失败的处理一般都是抛异常,也就是说operator new就是malloc的封装,只不过多实现了抛异常这个过程罢了.

那delete在底层释放空间时也是会调用operator delete,其余的细节和上面相似就不过多赘述了.

另外对于new T[n]和delete[],C++也提供了他们对应开空间的全局函数,分别为operator new[]与operator delete[],实际上这两个全局函数的内部还是operator new与operator delete,大家可以理解为换皮(仅为了区分用).

🐸总结一下🐸

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

4.高频面试题

👓malloc/free和new/delete的区别👓

共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同的地方是：
1. malloc和free是函数，new和delete是操作符；
2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化；
3. 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；
4. 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；
5. 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；
6. 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。