【C++】还new不出对象？看看C++怎么做~(C++内存管理)

☑️前言

🌀本章给大家带来的是C++内存管理。在C语言阶段，我们经常使用malloc，calloc，realloc，free进行内存管理。但是，C语言的内存管理存在很多缺陷，会对程序的稳定性和安全性造成影响。不过，C语言的内存管理同时也给程序员提供了更大的自由度和灵活性，可以更加精细地控制程序的内存使用。而C++有他自己的一套内存管理，就是：new和delete。 🌀 C++中的内存管理是一项非常重要的任务。C++为开发人员提供了灵活的内存管理功能，但同时也带来了内存泄漏、野指针等风险。所以，小伙伴们一定要扎扎实实弄清楚内存管理~

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接下来就开始C++内存管理的学习吧！

一. 【C/C++】内存分布

在C/C++中，程序的内存分为了5个部分：栈（Stack）、堆（Heap）、全局/静态存储区（Global/StaticStorage Area）、常量存储区（Constant Storage Area）和代码区（Code Area）。  

1. 【栈区】：存储函数参数和局部变量，由编译器自动分配和释放。栈区的内存大小是固定的，通常较小，不宜过度使用，否则会出现栈溢出等问题。
2. 【堆区】：存储由程序员动态分配的内存，大小不固定，需要手动管理。使用new和delete、malloc和free等方法可以分别进行内存的动态分配和释放。
3. 【全局/静态存储区】：存储全局变量、静态变量、常量等，程序启动时由系统自动分配，程序退出时自动释放。 全局变量和静态变量存储在同一块内存区域，但是它们的生命周期不同：静态变量存在于程序整个运行周期中，而全局变量只存在于定义它的文件中。
4. 【常量存储区】：存储字符串常量等只读数据，由编译器在编译时自动分配，不能被修改。
5. 【代码区】：存储程序的可执行代码，是只读的，不可修改。  

总之，在C/C++中，程序的内存分为不同的区域，每个区域都具有不同的特点和用途，程序员需要根据自己的需求进行合理的调配。同时，注意内存泄漏和内存溢出等问题，对于程序的安全性和稳定性非常重要。

我们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？____
   
   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？

////// 大家可以自行检验一下自己噢~

如图：

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二. 【C语言】中动态内存管理方式

C语言中的动态内存管理主要由函数malloc、calloc、realloc和free来完成。

1. malloc函数用于动态分配内存，可以用于分配任意大小的内存块，函数原型为：

void* malloc(size_t size);

在调用malloc函数时，需要传入要分配的内存块的大小，该函数会在堆上分配一块指定大小的内存，并返回一个指向该内存块首地址的指针。需要注意的是，malloc分配的内存块大小在释放前不可改变，否则可能会导致内存泄露或内存损坏。

2. calloc函数与malloc函数类似，不同之处在于它可以一次性分配并初始化多个元素，函数原型为：

void* calloc(size_t num, size_t size);

在调用calloc函数时，需要传入两个参数，一个代表要分配的元素个数，另一个是每个元素的大小。该函数会在堆上分配num * size大小的内存块，并将其初始化为0，并返回指向该内存块首地址的指针。

3. realloc函数可用于在堆上调整已分配内存块的大小，函数原型为：

void* realloc(void* ptr, size_t size);

在调用realloc函数时，需要传入两个参数，一个是要调整大小的内存块指针，另一个是调整后的大小。该函数会在堆上重新调整该内存块的大小并返回指向该内存块首地址的指针。

4.free函数用于释放申请的动态内存，函数原型为：

void free(void* ptr);

在调用free函数时，需要传入一个指向要释放的内存块首地址的指针，该函数会将该内存块标记为可用状态并返回给堆，以供其他malloc或calloc调用使用。需要注意的是，一块内存只能释放一次，否则将会发生严重错误。

<font color=blue>【想详细了解的小伙伴可以看我之前写的文章=>>>传送门】</font>

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<font color=black>【面试题】（小伙伴们可以整合知识自我回答思一下噢~）:

1. <font color=black>malloc/calloc/realloc的区别？
2. <font color=black> malloc的实现原理？【参考视频：传送门】

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三. 【C++】中动态内存管理

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. 【new/delete】操作内置类型

使用new/delete操作符可以对C++的内置类型进行动态内存分配，比如int、double、float等基本数据类型。使用new操作符动态地分配内存，返回的是该类型的指针，可以对指定的内存空间进行初始化操作。例如：

int* ptr_int = new int; 		// 分配一个int类型变量，初始值为未定义
int* ptr_int_2 = new int(10);   // 分配一个int类型变量，并初始化为10

使用delete操作符释放内存，例如：

delete ptr_int;		 // 释放动态分配的内存
delete ptr_int_2;   // 释放动态分配的内存

需要注意的是，释放内存的时候应当使用与分配时使用的操作符相对应的操作符。如果是动态分配的数组，需要使用delete[]来释放内存，例如：

int* ptr_arr = new int[5];  // 分配一个长度为5的int类型数组
delete[] ptr_arr; 			// 释放动态分配的内存

同样也是需要使用delete[]操作符释放内存。

再看如下代码：

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];
  	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。

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2. 【new/delete】操作自定义类型

使用new和delete操作符可以分配和释放自定义类型的动态内存。对于自定义类型，我们需要在构造函数中完成对象的初始化，在析构函数中完成对象的清理工作。

对于分配动态内存的情况，有两种方式来完成相关的操作：

1. 只分配内存空间，不进行初始化

使用new操作符来动态分配自定义类型对象的内存空间，并返回该类型的指针，例如：

class MyClass {
public:
    MyClass() { cout << "MyClass Constructor" << endl; }
    ~MyClass() { cout << "MyClass Destructor" << endl; }
};

MyClass* custom1 = new MyClass;

在上述代码中，我们使用new操作符动态分配了一个名为MyClass的自定义类型对象，并未对对象进行初始化。

2. 分配并进行初始化

在分配动态内存的同时，可以为内存中的对象进行初始化操作，例如：

MyClass* custom2 = new MyClass();

在上述代码中，我们使用new操作符动态分配了一个名为MyClass的自定义类型对象，并对对象进行了初始化。

释放动态内存时，需要使用delete操作符。例如：

delete custom1;
delete custom2;

需要注意的是，释放内存的时候应当使用与分配时使用的操作符相对应的操作符。如果我们分配的是一个自定义类型的数组，则需要使用delete[]操作符来释放内存，例如：

MyClass* arr = new MyClass[5];
delete[] arr;

再看以下代码：

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

int main()
{
 	// 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
 	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;
}

// 小伙伴们可以将此代码段放在自己的编译器上跑一下，结论一目了然了~

【注意】：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

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四. 【operator new】与【operator delete】函数

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。

1. operator new是一个接受一个参数的函数，这个参数表示需要分配的内存大小。它的返回值是一个指向分配内存起始地址的指针。operator new调用时，首先会检查是否有足够的空闲内存可供分配。如果有，它将分配一片相应大小的空闲内存，并返回一个指向这片内存的指针。如果没有足够的空闲内存可供分配，它将调用分配失败的处理函数std::new_handler（如果已经使用std::set_new_handler设置了分配失败的处理函数），或者抛出std::bad_alloc异常。

下面是operator new的一个简单实现示例：

void* operator new(std::size_t size) {
    void* ptr = std::malloc(size); // 分配内存
    if (!ptr) { // 分配失败
        // 根据实际需求进行分配失败的处理
        // 比如调用一个自定义的处理函数
        std::new_handler nh = std::get_new_handler();
        if (nh) {
            nh(); // 调用处理函数
        } else {
            throw std::bad_alloc(); // 抛出bad_alloc异常
        }
    }
    return ptr; // 返回分配的内存地址
}

2. operator delete则是用于释放operator new分配的内存。它接受一个指针参数，指向需要释放的内存起始地址。operator delete将释放这个指针指向的内存，并回收它所占用的内存空间，以供下次内存分配使用。

下面是operator delete的一个简单实现示例：

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    std::free(ptr); // 释放内存
}

需要注意的是，这里的noexcept关键字表示这个函数不会发生异常。在C++11之后，noexcept成为了一个非常重要的关键字，用于指示某个函数的异常安全性。如果一个函数标记为noexcept，编译器会假设它不会抛出任何异常，从而产生更加优化的代码。

我们继续来观察以下代码：

/*
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。

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五. 【new】和【delete】的实现原理

1. 对内置类型

1. 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。

2. 在C++中，内置类型是默认被分配在栈上的，而不是堆。栈是一种内存区域，用于存储局部变量、参数和函数返回地址等信息。相对地，堆是一种动态内存分配的内存区域，它可以手动分配和释放内存。

3. 虽然内置类型默认不在堆上分配内存，但仍然可以通过new和delete操作符来在堆上分配内存。对于内置类型，new和delete操作实际上是调用了对应的malloc和free函数。

4. 举个例子，当我们用new int(5)分配一个int类型的内存时，操作系统会尝试从堆内存池中分配一个大小为sizeof(int)的内存块，并将其初始化为5。当我们用delete运算符释放这个内存时，实际上会调用free函数来释放这块内存。

5. 需要注意的是，与malloc和free不同，new和delete在分配和释放内存时会将相应的构造函数和析构函数自动调用。因此，使用new和delete操作符可以更清晰地管理内存，避免手动调用构造函数和析构函数造成的错误。

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2. 对自定义类型

• 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。

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六. 定位【new】表达式(placement-new)

定位new是一种在指定内存地址上创建对象的方法，它与普通的new操作符不同之处在于，它不会分配新的内存，而是利用已有的内存地址来创建对象。

【使用格式】：

new (place_address) type  或者  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

【定位new的语法为】：

void* operator new(size_t size, void* ptr) throw();

其中，size是需要分配的对象大小，ptr是指向分配的内存的指针。

例如，下面的代码用定位new在指定的内存地址上创建了一个int类型的对象：

int* p = new(buffer) int;

其中，buffer是一个指向已有内存地址的指针，这里将其用作定位new的第二个参数。此时，p指向的就是buffer指向的内存地址。

需要注意的是，使用定位new需要保证所提供的指针指向的内存是可用的，并且分配的对象大小不得超出所提供内存的范围。

【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。

例如：

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

// 定位new/replacement new
int main()
{
 	// 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;
}

七. 常见面试题

1. 【malloc / free】和【new / delete】的区别

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。

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2. 内存泄漏

2.1. 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。

内存泄漏的危害主要有如下几个方面：

1. 影响程序性能：内存泄漏会导致程序所占用的内存越来越大，从而导致程序性能下降，甚至崩溃。

2. 导致系统崩溃：当程序内存使用超过系统可用内存时，系统就会因为内存不足而崩溃，这会导致系统其他进程也无法正常运行。

3. 安全隐患：内存泄漏往往会导致指针无法被正确释放，从而使黑客有机会利用这些未释放的指针发起攻击，进而导致系统安全问题。

因此，开发人员必须要认真对待内存泄漏问题，及时检测、识别和解决内存泄漏问题，以有效提高程序的安全性能。常用的方法包括使用Smart pointer、RAII等编程技巧，以及使用一些第三方工具对程序进行内存泄漏检测。

例如下面的代码就会导致内存泄漏：

void MemoryLeaks()
{
   	// 1.内存申请了忘记释放
  	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
  	int* p2 = new int;
  
  	// 2.异常安全问题
  	int* p3 = new int[10];
  
  	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
  
  	delete[] p3;
}

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2.2. 内存泄漏分类（了解即可）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

1. 堆内存泄漏(Heap leak)：堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过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。
2. 系统资源泄漏：指程序使用系统分配的资源，比如套接字、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。

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2.3. 如何检测内存泄漏（了解即可）

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。

int main()
{
 	int* p = new int[10];
 	// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
 	_CrtDumpMemoryLeaks();
 	return 0;
}

////////////////////////////////////////////////////////
// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: <                > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.

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。

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2.4. 如何避免内存泄漏

1. 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。(这个是理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。这里需要后面的智能指针来管理才有保证)
2. 采用RAII思想或者智能指针(后面会讲解噢~)来管理资源。
3. 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。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测(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。

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☑️写在最后

💝本章主要讲解的是C++内存管理的知识，具体有：new/delete，operator new/operator delete，定位new，关于内存泄漏，一些常见面试题等等。对于这些知识点，那可是重要的嘞，如果在一个项目中稍不留神一个内存泄漏的地方没发现，那么后面的问题可就大了嘿嘿~

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❤️‍🔥后续将会继续输出有关C++的文章，你们的支持就是我写作的最大动力！

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢~