【C++】内存管理机制：从new到delete全解析-EW帮帮网

1. 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。

1.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
    // 动态申请一个 int 类型的空间（未初始化）
    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（未初始化）
    int* ptr6 = new int[10];
    
    // 错误写法：不能这样初始化数组
    // int* ptr7 = new int[10](10); // 编译错误
    
    // 释放内存
    delete ptr4;
    delete ptr5;
    delete[] ptr6;
}

注意事项

单个元素使用 new 和 delete
数组使用 new[] 和 delete[]
必须匹配使用，否则可能导致未定义行为
对于内置类型，new/delete 和 malloc/free 功能类似

1.2 new和delete操作自定义类型

类定义

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

使用对比

int main()
{
    // malloc/free 不会调用构造函数和析构函数
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A)); // 只申请空间
    free(p1); // 只释放空间
    
    // new/delete 会自动调用构造函数和析构函数
    A* p2 = new A(1); // 申请空间 + 调用构造函数
    delete p2; // 调用析构函数 + 释放空间
    
    // 数组操作
    A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10); // 只申请空间
    free(p5); // 只释放空间
    
    A* p6 = new A[10]; // 申请空间 + 调用10次构造函数
    delete[] p6; // 调用10次析构函数 + 释放空间
    
    return 0;
}

关键区别

new 会调用构造函数，delete 会调用析构函数
malloc 和 free 只负责内存分配和释放
对于自定义类型，必须使用 new/delete

1.3 new/delete 的优势

假设我们要创建一个链表，链表节点有一个_val，一个_prev指针指向前一个节点，一个_next指针指向后一个节点。

C 语言方式创建链表节点

struct ListNode
{
    int _val;
    struct ListNode* _next;
    struct ListNode* _prev;
};

typedef struct ListNode ListNode_t;

ListNode_t* CreatListNode(int val)
{
    ListNode_t* node_c = (ListNode_t*)malloc(sizeof(ListNode_t));
    node_c->_val = val;
    node_c->_next = NULL;
    node_c->_prev = NULL;
    return node_c;
}

C++ 方式创建链表节点

struct ListNode_CPP
{
    int _val;
    ListNode_CPP* _next;
    ListNode_CPP* _prev;
    
    ListNode_CPP(int val = 0)
        : _val(val)
        , _next(nullptr)
        , _prev(nullptr)
    {}
};

使用对比

int main()
{
    // C 语言方式：需要单独初始化
    ListNode_t* node1 = CreatListNode(1);
    
    // C++ 方式：定义即初始化
    ListNode_CPP* node4 = new ListNode_CPP; // 使用默认参数
    ListNode_CPP* node5 = new ListNode_CPP(5); // 使用指定参数
    
    // 释放内存
    delete node4;
    delete node5;
    
    return 0;
}

在原先的C语言中，我们创建一个对象，还需要调用一个 CreatListNode 函数进行初始化，但是在C++中，讲究一个“定义出来就初始化了”，相当于你把构造函数写好，new 关键字会通过调用构造函数自动帮你初始化了。

优势总结

更符合面向对象思想：定义即初始化
代码更简洁：不需要单独的初始化函数
更安全：自动调用构造/析构函数

2. operator new与operator delete函数

2.1 operator new与operator delete函数

基本概念

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。
operator new 的用法和 malloc 一模一样，operator delete 和 free 的用法一模一样。

class A
{
public:
        A(){cout << "A()" << endl;}
        ~A(){cout << "~A()" << endl;}
private:
        // ...
};

int main()
{
        // 下面两个都不会调用构造函数
        A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
        A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
        return 0;
}

2.2 与 malloc/free 的关键区别

他们的区别在于申请失败时的区别：

malloc 申请失败返回空指针，即 0 。operator new 申请空间失败会抛异常。“异常”是一种面向对象处理错误的方式。

/*
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的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

总结

malloc 失败返回空指针
operator new 失败抛出 std::bad_alloc 异常
operator new 内部仍然使用 malloc 分配内存

3. new和delete的实现原理

operator new = malloc + 失败抛异常实现

new = operator new + 构造函数

new 对比 malloc ：1、调用构造函数初始化。2、失败了抛异常

delete 对比 free ：1.多一个调用析构函数清理。（一般free不会失败，因为free是释放空间，除非你释放空间的位置不对，一般释放空间失败会导致进程直接终止）

3.1 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 自定义类型

new 的原理

调用 operator new 函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数

delete 的原理

在空间上执行析构函数
调用 operator delete 函数释放空间

数组操作原理

new T[N]：调用 operator new[]，在其中调用 operator new 完成 N 个对象空间的申请，然后申请的空间上执行 N 次构造函数
delete[]：执行 N 次析构函数，然后调用 operator delete[] 释放空间

4. 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

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
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

使用场景：

定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。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示调构造函数进行初始化。

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

int main()
{
        A* p1 = new A;
        delete p1;

        // 和上面 new&delete 是一模一样的流程和效果：
        A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
        // 构造函数无法直接显式调用
        // 对已经存在的一块空间调用构造函数初始化，定位new / replace new
        new(p2)A(10);
        
        // 析构函数可以显式调用
        p2->~A();
        operator delete(p2);

        return 0;
}

5. 内存泄漏

5.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
        // 1.内存申请了忘记释放，导致别人无法使用
        int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
        int* p2 = new int;
}

5.2 内存泄漏分类（了解）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak)

堆内存指的是程序执行中依据需要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

5.3 如何检测内存泄漏（了解）

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该函数只报出了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

因此写代码时一定要小心，尤其是动态内存操作时，一定要记着释放。但有些情况下总是防不胜防，简单的可以采用上述方式快速定位下。如果工程比较大，内存泄漏位置比较多，不太好查时一般都是借助第三方内存泄漏检测工具处理的。

在linux下内存泄漏检测：Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具_c++内存泄露工具分析-CSDN博客

在windows下使用第三方工具：VS编程内存泄漏:VLD(Visual LeakDetector)内存泄露库_visual leak detector vs2020-CSDN博客

其他工具：内存泄露检测工具比较 - 默默淡然 - 博客园

5.4 如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。

ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。

采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

【C++】内存管理机制：从new到delete全解析

1. C++内存管理方式

1.1 new/delete操作内置类型

注意事项

1.2 new和delete操作自定义类型

类定义

使用对比

关键区别

1.3 new/delete 的优势

C 语言方式创建链表节点

C++ 方式创建链表节点

使用对比

优势总结

2. operator new与operator delete函数

2.1 operator new与operator delete函数

基本概念

2.2 与 malloc/free 的关键区别

总结

3. new和delete的实现原理

3.1 内置类型

3.2 自定义类型

new 的原理

delete 的原理

数组操作原理

4. 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

5. 内存泄漏

5.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

5.2 内存泄漏分类（了解）

5.3 如何检测内存泄漏（了解）

5.4 如何避免内存泄漏

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