C++内存管理：从malloc到new的进化之路

在学习相关内容之前，我们先来做一道题目：

分析： globalvar是一个全局变量，所以globalvar在静态区；static GlobalVar被static修饰，说明它是一个静态变量，那就在静态区；static Var在静态区；localVar是一个局部变量，局部变量的空间都是在桟帧中开辟的，所以在栈上；num1单独出现，表示数组首元素的地址，那它就是一个指针变量，在栈上；char2表示数组名，为首元素地址，字符串存储在数组中，这个字符串是可以被修改的，那么这个字符串就是在栈上，那char2就在栈上；*char2表示首元素，也在栈上；pchar3是一个指针变量，在栈上；const char* pchar3="abcd"中的const修饰的是指针指向的内容，这个内容不能被修改，这个字符串为常量字符串，在常量区，*pchar3就在常量区；ptr1中存放的是申请空间的地址，是一个指针变量，在栈上；*ptr1表示申请空间的首元素，空间是在堆上申请的，所以*ptr1在堆上。

选择题答案

globalVar在哪里？______ C. 数据段（静态区）

• 全局变量存储在静态区（数据段）

staticGlobalVar在哪里？______ C. 数据段（静态区）

• static修饰的全局变量也存储在静态区

staticVar在哪里？______ C. 数据段（静态区）

• 函数内的static局部变量也存储在静态区

localVar在哪里？______ A. 栈

• 普通局部变量在栈上

num1 在哪里？______ A. 栈

• 数组名代表数组首地址，但数组本身在栈上

char2在哪里？______ A. 栈

• 局部字符数组，整个数组在栈上

*char2在哪里？______ A. 栈

• 数组首元素在栈上

pChar3在哪里？______ A. 栈

• 指针变量本身在栈上

*pChar3在哪里？______ D. 代码段（常量区）

• 指向的字符串"abcd"是常量字符串，在常量区

ptr1在哪里？______ A. 栈

• 指针变量本身在栈上

*ptr1在哪里？______ B. 堆

• malloc分配的内存空间在堆上

图示解释：

正文

一、C语言中的内存管理

回顾前面在C语言中的学习，我们学习过malloc/calloc/realloc/free，我们通过题目来回顾一下：

【面试题】

1. malloc/calloc/realloc的区别？

malloc申请空间时不进行初始化，calloc申请空间时自动初始化为0；realloc是对空间的增容：如果原空间后面有空间，那直接在其后面直接扩容，新空间的地址和原空间的地址一样；如果原空间的后面空间不够，则新找一块空间，并将原空间中的数据拷贝到新空间中，再将原空间释放，然后返回新空间的地址

2. malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理

其实C语言中的内存管理已经可以解决很多问题，那为什么C++中要搞个新的内存管理呢？ok，通过下面的学习，我们就知道原因了：

二、C++内存管理

2.1 初识new和delete

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。

2.2 new和delete

2.2.1 new的使用

那这时候就有人想问了，如果我们想要初始化，该怎么做？

2.2.2 delete的使用

delete的使用分为两种情况： 情况1：释放单个

//申请一个int类型的空间，并初始化
int* p3 = new int(10);
//释放单个
delete p3;

情况2：释放多个

//申请一个空间大小为10的数组，int类型，并部分初始化
int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};
//释放多个
delete[] p4;

提醒： 释放多个也可以直接写delete p4; 但是不建议这么写

这里博主有一个问题：我们看啊，在C中有申请空间，还有扩容，刚才我们学习C++中的申请空间，那C++中有扩容吗？

其实是没有的，如果需要扩容，自己手动扩

我们看到其实new和delete的功能和malloc、calloc、free的功能很接近，那为什么祖师爷还要搞new和dlete呢？

其实是为了自定义类型，用malloc可以申请一个自定义类型的空间，那该怎么初始化呢？这是不是一个问题，那为了解决这个问题，祖师爷就搞出了new和delete

new和delete就可以解决这样的问题！！！

我们看到：new和delete的最大特点就是自动调用构造和析构，而malloc和free不会！！！以后主要使用new和delete

2.2.3 new delete的失败

new 和 delete也会失败，那他们的失败和malloc free的失败是一样的吗？

其实是不一样的，new申请空间失败不会返回空，而是会抛异常

那我们该怎么捕获异常呢（ok，这里博主简单演示一下，后面会具体介绍）：

void func()
{
	int i = 1;
	int* ptr = nullptr;
	do {
		if (i == 495)
		{
			int x = 0;
		}

		ptr = new int[1024 * 1024];
		cout << i++ << ":" << ptr << endl;
	} while (ptr);

	cout << i++ << ":" << ptr << endl;
}
int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

通过上面的try，catch就可以捕获异常。

2.3 new和delete的底层

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 和operator delete是系统提供的全局函数

2.3.1 new的底层

new开空间的步骤：

1. 先调用operaotr new 在堆上开空间（底层还是调用malloc）
2. 调用构造

先调用operaotr new 在堆上开空间（底层还是调用malloc）——这是什么意思？

我们来看一下底层代码：

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 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。

所以说new的底层还是调用malloc，可以认为new是对malloc的包装

2.3.2 delete的底层

delete的步骤：

1. 调用析构
2. 调用operator delete

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)

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的！！！

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。

三、new和delete的实现原理

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
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

四、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/free是函数，new/delete是操作符
2. malloc 失败返回的是nullptr，需要我们进行判断；new失败抛异常，不需要进行判断，但要捕获异常
3. malloc只开空间，不初始化；new开空间，可以初始化
4. malloc申请空间时需要手动计算空间大小；new只需在其后面跟上类型即可，如果是多个对象，[ ]中指定个数即可
5. malloc 的返回值类型为void* ，需要强转；new不需要，后面跟的就是类型
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

上面的区别不建议背，理解即可！！！