C++：动态内存分配（new、delete 相比 malloc、free的优势）与运算符重载

发布于：2024-09-19 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)
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动态内存分配与运算符重载


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一、动态内存分配

（一）内存的分类

在C/C++中，内存主要分为五个部分，其中我们之前C语言学习过程中的动态内存分配读取的堆区的内存。
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  1. 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，堆是向上增长的。
  4. 数据段：存储全局数据和静态数据
  5. 代码段：可执行代码、只读常量

（二）动态内存分配函数

(1)new 和delete 的使用

在动态内存分配是，通过控制台可以发现，堆区是向上增长的。同时也发现了new / delete 和 malloc / free 这组函数的区别，前者会申请后完成构造，释放时自动调用析构，而后者只做空间的申请。

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main() {
	cout << "内置类型：" << endl;
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int(1);
	int* p3 = new int[3];
	delete p1;
	delete p2;
	delete[] p3;

	cout << "自定义类型：" << endl;
	A* p4 = new A;
	A* p5 = new A(1);
	A* p6 = new A[3];
	delete p4;
	delete p5;
	delete[] p6;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

（1）new 的原理

通过汇编代码，可以清楚的发现，new 调用了 operator new 函数和构造函数
在这里插入图片描述

（2）delete 的原理

和new 一样，先调用了析构函数，后调用了 operater delete。
在这里插入图片描述

2、 operator new与operator delete

需要区分的是，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，不是函数重载。new在底层调用operator new来申请空间，delete在底层通过operator delete来释放空间。

（1）operator new 的原理

通过下面代码，我们可以发现，operate new也是通过 malloc 来申请空间，相比于 malloc，不再通过返回值是否为空来判断申请的成功与否，而是抛异常的方式。
而在参数上面二者一致。

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);
}
（2）operator delete 的原理

不难看出，delete 的底层也是采用free 实现，free 本质是一个宏。

void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK); 
	__TRY
		pHead = pHdr(pUserData);
	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}

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

（三）定位new

如果我们想要将申请空间和构造函数、释放空间和析构函数分开调用，又该怎么办呢。我们知道构造函数不可以显示调用，此时可以用到定位new。

new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
其中，place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

A* object = (A*)malloc(sizeof(A));
new(object)A(1);
object->~A();
free(object);

A* object2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(object2)A;
object2->~A();
free(object2);

在这里插入图片描述
在上面的代码中，采用malloc和operater new的唯一区别就是前者可以通过检查返回值查看是否开辟成功，而后者通过抛异常的方式检测。

（四） malloc/free和new/delete的区别

  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，多个对象在[]中指定对象个数
  4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要
  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和delete会调用构造函数与析构函数。

二、操作符重载

我们通过实现一个日期类来说明这部分知识。由于运算符重载并不复杂，挑选有特点的部分讲解。

运算符重载要点
1、可以利用运算符之间的联系来重载其它运算符。
2、对于不改变this 指针的运算符，可以考虑加上 const 否则一些const对象在调用时可能会造成权限的放大，导致错误

（一）输入输出重载

输入输出流重载中，只能写成全局函数。因为成员函数中存在隐藏的this 指针，而函数重载规定参数列表中的第一个参数是在运算符右边，如果写成成员函数就要反过来，老别扭了。

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
	return out;
}

istream& operator>>(istream & in,  Date & d)
{
	while (1) {
		cout << "请输入年、月、日" << endl;
		in >> d._year >> d._month >> d._day;
		if (!d.check_date()) {
			cout << "日期不合法，请重新输入！" << endl;
			continue;
		}
		break;
	}
	return in;
}

（二）其它操作符重载

class Date {
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& data);
	friend istream& operator>>(istream& in,  Date& d);
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1);
	bool check_date() const;
	bool isRunNian() const;

	int getMonthDay(int month) const;
	void print_date() const;
	//比较运算符重载
	bool operator<(const Date& d) const;
    bool operator<=(const Date& d) const;
	bool operator>(const Date& d) const;
	bool operator>=(const Date& d) const;
	bool operator==(const Date& d) const;
	bool operator!=(const Date& d) const;
	
	//加减运算符重载
	Date& operator+=(int day);
	Date operator+(int day) const;
	Date& operator-=(int day);
	Date operator-(int day) const;
	int operator-(const Date& d) const;
	Date& operator++();
	Date operator++(int);
	Date& operator--();
	Date operator--(int);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	static int _month_day[13];
};

int Date::_month_day[13] = {0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };

Date::Date(int year, int month, int day)
	:_year(year)
	, _month(month)
	, _day(day)
{
	if (!check_date()) {
		cout << "日期不合法!" << endl;
	}
}

bool Date::check_date() const
{
	if (_month > 12 || _month < 1)return false;
	else if (_day > getMonthDay(_month) || _day < 1) return false;
	else return true;
}

bool Date::isRunNian()const
{
	if ((_year % 4 == 0 && _year % 100 != 0) || _year % 400 == 0)
		return true;
	else return false;
}

int Date::getMonthDay(int month) const
{
	if (month == 2) {
		if (isRunNian()) return 29;
	}
	return _month_day[month];
}

void Date::print_date() const
{
	cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
}


bool Date::operator<(const Date& d) const 
{
	if (_year != d._year)return _year < d._year;
	else if (_month != d._month) return _month < d._month;
	else return _day < d._day;
}

bool Date::operator<=(const Date& d) const
{
	return (*this < d || *this == d);
}
bool Date::operator>(const Date& d) const
{
	return !(*this <= d);
}
bool Date::operator>=(const Date& d) const
{
	return !(*this < d);
}
bool Date::operator==(const Date& d) const
{
	return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
}
bool Date::operator!=(const Date& d) const
{
	return !(*this == d);
}

Date& Date::operator+=(int day)
{
	_day += day;
	while (_day > getMonthDay(_month)) {
		_day -= getMonthDay(_month);
		if (++_month == 13) {
			_month = 1;
			_year += 1;
		}
	}
	return *this;
}

Date Date::operator+(int day) const
{
	Date object(*this);
	object += day;
	return object;
}

Date& Date::operator-=(int day)
{
	_day -= day;
	while (_day < 1) {
		if (--_month == 0) {
			_month = 12;
			_year -= 1;
		}
		_day += getMonthDay(_month);
	}
	return *this;
}
Date Date::operator-(int day) const
{
	Date object(*this);
	object -= day;
	return object;
}

int Date::operator-(const Date& d) const
{
	Date max = *this;
	Date min = d;
	int flag = 1;
	if (max < min) {
		max = d;
		min = *this;
		flag = -1;
	}
	int n = 0;
	while (min != max) {
		min += 1;
		n++;
	}
	return n;
}

Date& Date::operator++()
{
	return (*this += 1);
}

Date Date::operator++(int)
{
	Date temp(*this);
	*this += 1;
	return temp;
}

Date& Date::operator--()
{
	return (*this -= 1);
}

Date Date::operator--(int)
{
	Date temp(*this);
	*this -= 1;
	return temp;
}

void test01()
{
	Date object1(2024, 2, 29);
	Date object2(2024, 2, 18);
	Date object3(2024, 2, 18);
	if (object1 > object2) cout << "object1 < object2" << endl;
	if (object3 == object2) cout << "object3 == object2" << endl;
}

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{
	out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;
	return out;
}

istream& operator>>(istream & in,  Date & d)
{
	while (1) {
		cout << "请输入年、月、日" << endl;
		in >> d._year >> d._month >> d._day;
		if (!d.check_date()) {
			cout << "日期不合法，请重新输入！" << endl;
			continue;
		}
		break;
	}
	return in;
}


void test02()
{
	Date object1(1940, 10, 5);
	Date object2(2024, 8, 27);
	Date object3(2024, 9, 19);
	Date object4(2004, 7, 19);
	object4 += 7367;
	object4.print_date();
	object3 -= 7367;
	object3.print_date();
	cout << object3 - object4 << endl;
	cout << object2 - object1 << endl;
	object1++;
	object1.print_date();
	object1--;
	object1.print_date();

结束语

小伙伴们，文章就先告一段落了，感谢各位长期以来的支持，博主就先撤啦！

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