C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

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前言

• 在上一篇博客中，我们探讨了 C/C++ 语言的内存分布模型，并对比了 C 与 C++ 内存管理的核心差异，初步认识了 C++ 中new与delete的基本概念，为理解 C++ 内存管理体系奠定了基础。
• 本文将在此基础上，深入解析 C++ 内存管理的核心机制，从底层原理到实践细节展开系统讲解，帮助读者全面掌握这一重要知识模块。

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一、C++内存管理方式

1. new/delete操作内置类型

• 在 C 语言里有它自己的内存管理办法，但用起来比较麻烦，而且有些情况处理不了。
• C++ 为了解决这些问题，引入了new和delete操作符来进行动态内存管理。

#include <iostream>using namespace std;
void Test()
{int* ptr4 = new int;// 动态申请一个int类型的空间int* ptr5 = new int(10);//动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr6 = new int[3];//动态申请3个int类型的空间delete ptr4;delete ptr5;//delete ptr6;//错误在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：//如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：//内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。//未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等delete[] ptr6;
}

• 在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：
• 如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：例如上面代码中的int* ptr6 = new int[3]与delete ptr6

内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。
未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等

2. 异常与内存管理的联系（简单了解）

• 在使用new申请内存时，如果系统没有足够的内存可供分配，就可能会抛出异常。
• 所以在进行内存管理时，要考虑到这种可能出现的异常情况，确保程序的健壮性。

#include <iostream>
using namespace std;void Test() {try {// 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 10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请 3 个 int 类型的空间int* ptr6 = new int[3];// 使用分配的内存*ptr4 = 5;cout << "Value of ptr4: " << *ptr4 << endl;cout << "Value of ptr5: " << *ptr5 << endl;for (int i = 0; i < 3; ++i) {ptr6[i] = i;cout << "Value of ptr6[" << i << "]: " << ptr6[i] << endl;}// 释放内存delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;} catch (const bad_alloc& e) {// 捕获内存分配失败的异常cerr << "Memory allocation failed: " << e.what() << endl;}
}int main() {Test();return 0;
}    

#include <iostream>
using namespace std;void Func()
{int i = 1;while (1){int* p1 = new int[1024 * 1024];cout << i << "->" << p1 << endl;i++;}
}int main()
{try{Func();}catch (const std::exception& e){cout << e.what() << endl;}
}

• 这段代码定义了一个名为 Func 的函数，该函数在一个无限循环中不断尝试分配大约1MB的内存。
• 由于没有适当的内存释放，这将最终导致内存耗尽，从而抛出 std::bad_alloc 异常。
• 在 main 函数中， Func 被调用并被包裹在一个 try-catch 块中，以捕获并处理可能抛出的异常。

然而，由于 std::bad_alloc 异常没有被直接捕获（ catch 块中捕获的是 std::exception 的引用），所以实际上这段代码可能不会按预期工作，因为 std::bad_alloc 可能在到达 catch 块之前就已经导致程序终止

3. new和delete操作自定义类型

• 在 C++ 里，new 和 delete 除了能操作基本数据类型，还可以操作自定义类型。

自定义类型是程序员自己定义的类型，像类、结构体等.

• 以下是new 和 delete 操作基本数据类型的简单代码

#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:Person(const char* _name,int _age){name = _name;age = _age;cout << "Person 构造函数被调用，名字: " << name << ", 年龄: " << age;};~Person(){cout << "Person 析构函数被调用: " << name << ", 年龄: " << age;}private:const char *  name;//一个指向常量字符的指针类型int age;};
int main() {// 使用 new 创建 Person 对象Person* person = new Person("Alice", 25);// 使用 delete 释放对象内存delete person;return 0;
}

这段代码定义了一个 Person 类，包含姓名和年龄两个属性，还有构造函数和析构函数。在 main 函数里，使用 new 操作符创建一个 Person 对象，然后使用 delete 操作符释放对象的内存。

二、 operator new与operator delete函数（重点）

1. new和delete操作符与operator new和operator delete函数的关系

• 前面我们讲到new和delete是用来动态申请和释放内存的操作符。比如，你想创建一个int类型的变量，就可以用new操作符来申请内存：

int* ptr = new int;

• 这里的new操作符在底层会调用operator new全局函数来申请内存空间
  

• 当你不再需要这块内存时，就得用delete操作符释放它：

delete ptr;

delete操作符在底层会调用operator delete全局函数来释放内存空间

2. operator new函数的工作原理

• operator new函数的作用是申请内存空间，它实际上是借助malloc函数来实现的。

下面是它的工作步骤：

• 尝试申请内存：调用malloc函数去申请指定大小的内存空间。
• 检查申请结果：
  • 成功：若malloc申请内存成功，就直接返回这块内存的指针。
  • 失败：若malloc申请内存失败，会尝试执行用户设置的空间不足应对措施。
  • 用户设置了应对措施：继续尝试申请内存。
  • 用户未设置应对措施：抛出std::bad_alloc类型的异常

下面是operator new函数的简化代码：

void *operator new(size_t size) {void *p;while ((p = malloc(size)) == 0) {if (用户设置的应对措施函数(size) == 0) {// 申请内存失败，抛出异常static const std::bad_alloc nomem;throw nomem;}}return p;
}

3. operator delete函数的工作原理

• operator delete函数的作用是释放内存空间，它最终是通过free函数来实现的。

下面是它的工作步骤：

• 检查指针是否为空：若传入的指针为空，直接返回，不做任何操作。
• 释放内存：调用free函数释放这块内存空间。

下面是operator delete函数的简化代码：

void operator delete(void *pUserData) {if (pUserData == NULL)return;free(pUserData);
}

• new操作符在底层调用operator new函数来申请内存空间，operator new函数又借助malloc函数来申请内存。
• delete操作符在底层调用operator delete函数来释放内存空间，operator delete函数最终通过free函数来释放内存。
• 若malloc申请内存失败，operator new函数会尝试执行用户设置的应对措施，若没有设置则抛异常

三、 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

1. 定位 new 表达式的概念

一般而言，使用new操作符时，它会做两件事：

• 一是为对象分配内存；二是调用对象的构造函数来初始化这块内存。
• 而定位 new 表达式有所不同，它是在已经分配好的原始内存空间里调用构造函数来初始化对象。

2. 定位 new 表达式的使用格式

在C++中，定位 new 的语法如下

new (address) Type

在address指向的内存空间创建一个type类型的对象

new (address) Type[size]

• 在address指向的内存空间创建一个type类型的对象，并且用size里的值来初始化对象。

• 这里的address得是一个指针，size是类型的初始化列表

3. 定位 new 表达式的使用场景

• 在实际运用中，定位 new 表达式通常和内存池配合使用。
• 内存池分配的内存并未初始化，要是分配的是自定义类型的对象，就得使用定位 new 表达式来显式调用构造函数进行初始化

#include <iostream>int main() {// 分配一块原始内存char* rawMemory = new char[sizeof(int)];// 使用定位new在原始内存上构造一个int对象int* intPtr = new (rawMemory) int(42);// 输出构造的int对象的值std::cout << "Value of int object: " << *intPtr << std::endl;// 显式调用析构函数（对于基本类型，这一步不是必需的，但对于自定义类型是必需的）intPtr->~int();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return 0;
}

#include <iostream>class MyClass {
public:MyClass(int value) : data(value) {std::cout << "Constructor called with value: " << data << std::endl;}~MyClass() {std::cout << "Destructor called for value: " << data << std::endl;}
private:int data;
};int main() {// 分配一块原始内存char* rawMemory = new char[sizeof(MyClass)];// 使用定位new在原始内存上构造一个MyClass对象MyClass* myObjPtr = new (rawMemory) MyClass(10);// 显式调用析构函数myObjPtr->~MyClass();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return 0;
}    

四、malloc/free和new/delete的区别

1. 相同点

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。

• 不过，他们的不同点是

2. 不同点

一个是函数，一个是操作符

• malloc/free 是 C 语言的库函数：需要包含头文件 <stdlib.h>，用函数的方式调用（比如 malloc(size)）。
• new/delete 是 C++ 的操作符：是 C++ 语言内置的功能，用法更简洁（比如 new int）

new 会 “初始化”，malloc 不会

malloc 申请的内存是 “脏的”：里面可能是随机的垃圾值。比如：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));  // *p 的值不确定，可能是任意数

• new 申请的内存会被 “初始化”：
  • 对内置类型（如 int、double），new int 不会初始化，但 new int() 会初始化为 0；
  • 对自定义类型（如类），new 会自动调用构造函数，完成对象的初始化（比如给成员变量赋值）。

空间大小：new 自动计算，malloc 要手动算

• malloc 需要自己算大小：必须用 sizeof 计算需要的字节数，比如申请 5 个 int 的空间：

int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 手动算 5*4=20 字节

• 如果算错（比如漏掉 sizeof 或乘错数），就会出 bug
• new 自动知道要多大：直接写类型和数量即可，比如：

int* p = new int[5];  // 自动申请 5 个 int 的空间，不用算字节数

new 不用强转，malloc 需要

malloc 返回 void* 指针：使用时必须强制转换类型，比如：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));  // 必须强转成 int*

new 直接返回对应类型的指针：比如 new int 直接返回 int*，不需要强转：

int* p = new int;  // 直接是 int* 类型，不用强转

错误处理：malloc 返 NULL，new 抛异常

• malloc 申请失败返回 NULL：必须检查是否为 NULL，否则解引用（比如 *p）会导致程序崩溃：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
if (p == NULL) {  // 必须判空！// 处理内存不足的情况
}

• new 申请失败会抛出异常：默认会抛出 std::bad_alloc 异常，需要用 try-catch 捕获（或者用 new(nothrow) 版本返回 NULL，但不常用）：

try {int* p = new int;  // 失败会抛异常，不会返回 NULL
} catch (std::bad_alloc& e) {// 处理异常
}

自定义类型：new/delete 会 “照顾” 对象，malloc/free 不会

malloc/free 只负责搬砖：

• malloc 只会分配一块足够大的内存，但不会调用类的 构造函数（比如初始化成员变量）；
• free 只会释放内存，但不会调用类的 析构函数（比如释放对象内部申请的资源）。
  这样会导致对象没被正确初始化或清理，造成错误或内存泄漏。

new/delete 会 “盖房子” 和 “拆房子”：

• new 分配内存后，会自动调用类的构造函数，初始化对象（比如给成员变量赋值）；
• delete 释放内存前，会自动调用类的析构函数，清理对象内部的资源（比如释放成员指针指向的内存）。

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以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索C++中模板初阶更多精彩内容。

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