C/C++中内存管理

这里写目录标题

• C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free
• C++内存管理方式
• operator new与operator delete函数
• • operator new
  • operator delete
• new和delete的实现原理
• malloc/free和new/delete的区别

C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

在C语言中，动态内存管理是通过一组库函数来实现的，主要包括 malloc、calloc、realloc 和 free。这些函数都定义在 <stdlib.h> 头文件中，用来分配和释放动态内存。下面详细解释它们的功能和使用方式：

1. malloc (Memory Allocation)

malloc 用于动态分配指定大小的内存块，返回一个指向该内存块的指针。分配的内存块中的内容是未初始化的，可能包含垃圾值。

2. calloc (Contiguous Allocation)

calloc 与 malloc 类似，但它的不同之处在于分配的内存块会被初始化为零。另外，它允许同时指定要分配的元素数量和每个元素的大小。

3. realloc (Reallocation)

realloc 用于调整之前分配的内存块的大小。如果新的大小大于原来的大小，则追加部分是未初始化的；如果新的大小小于原来的大小，则内存会被截断。

4. free (Free Memory)

free 用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。释放内存后，指针指向的内存块不再有效，应该避免继续使用。

总结：
malloc: 分配未初始化的内存。
calloc: 分配并初始化为零的内存。
realloc: 调整已分配内存的大小。
free: 释放已分配的内存。

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

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3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。

new和delete操作自定义类型

#include<iostream>
using namespace std;

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;
	//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，malloc与free不会。
}

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。

在C++中，operator new 和 operator delete 是特殊的运算符函数，用来控制对象的内存分配和释放过程。它们和 new 表达式以及 delete 表达式是相关联的，但功能更底层，直接处理内存的分配和释放，而不自动调用构造函数和析构函数。这一点是它们与 new 和 delete 关键字的主要区别。

operator new

operator new 通常用来分配足够的内存来存储指定类型的对象。标准库提供的默认版本简单地调用 malloc 函数来完成实际的内存分配工作。然而，程序员可以重载
operator new 来提供自定义的内存分配策略。

void* operator new(size_t size);

参数:
size: 要分配的内存大小，以字节为单位。

返回值:
成功时返回指向分配的内存的指针。
失败时抛出 std::bad_alloc 异常。

operator delete

operator delete 用来释放之前通过 operator new 分配的内存。默认实现通常调用 free 函数。

void operator delete(void* ptr);

参数:
ptr: 指向要释放的内存的指针。

使用注意:
该指针应该指向通过 operator new 分配的内存。
如果 ptr 是 nullptr，operator delete 不做任何事情。

示例：重载 operator new 和 operator delete

#include <iostream>
#include <cstdlib>

void* operator new(size_t size) {
    std::cout << "Allocating " << size << " bytes\n";
    void *p = malloc(size);
    if (!p) throw std::bad_alloc(); // 如果malloc失败，则抛出异常
    return p;
}

void operator delete(void *p) noexcept {
    std::cout << "Freeing memory\n";
    free(p);
}

int main() {
    int* p = new int;
    *p = 10;
    std::cout << "Value: " << *p << std::endl;
    delete p;
    return 0;
}

new和delete的实现原理

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

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

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 空间中资源的清理释放