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目录

• C/C++内存分布
• 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
• new 和 delete 的实现原理
• 定位new表达式(placement-new)
• malloc/free 和 new/delete 的区别

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

#include <iostream>using namespace std;int main()
{//栈const int a = 0;int b = 0;cout << &a << endl;cout << &b << endl;const char* p = "11111111";cout << (void*)p << endl;return 0;
}

说明：

1. 栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库，用户可使用系统接口创建共享内存，做进程间通信。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
3. 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
4. 数据段–存储全局数据和静态数据。
5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

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

void Test ()
{// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);// 这里需要free(p2)吗？free(p3);
}

3. 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。

3.1 new/delete操作内置类型

int main()
{//内置类型//除了用法方便，c malloc没什么区别/*int* p1 = new int;int* p2 = new int[10];*///默认不初始化，但是可以初始化int* p1 = new int(0);int* p2 = new int[10]{ 1, 2, 3, 4 };delete p1;delete[] p2;return 0;
}

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[]。

3.2 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(int a)" << endl;}A(int a1, int a2){cout << "A(int a1, int a2)" << endl;}A(const A& aa):_a(aa._a){cout << "A(const A& aa)" << endl;}A& operator=(const A& aa){cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;if (this != &aa){_a = aa._a;}return *this;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;
};int main()
{//自定义类型，new才能调用构造初始化，malloc不再适用A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//p1->_a = 0;//errfree(p1);//开空间/释放空间，还会调用构造和析构A* p2 = new A;A* p3 = new A(2);delete p2;delete p3;cout << endl;//A* p4 = new A[10];//A aa1(1);//A aa2(2);//A aa3(3);//A* p4 = new A[10]{ aa1, aa2, aa3 };A* p4 = new A[10]{ 1, 2, 3, 4, 5, {6,7} };delete[] p4;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，而 malloc 与 free不会。

4. 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。

/*
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 bytesvoid* 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_FINALLYreturn;
}/*
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。

但是，有些同学会产生疑问：为什么不直接用 malloc ，而要用 operator new。

因为 malloc 失败会返回空，用 malloc 时要检查有没有成功；而 new 引出了一个叫做异常的东西（先简单了解一下）：

#include <iostream>using namespace std;double Division(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn ((double)a / (double)b);
}void Func()
{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (...){cout << "unkown exception" << endl;}return 0;
}

#include <iostream>using namespace std;struct ListNode
{ListNode* _next;int _val;ListNode(int val):_next(nullptr), _val(val){}
};void func()
{//new失败了，抛异常，不需要再检查返回值ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);int* p1 = new int[100 * 1024 * 1024];int* p2 = new int[100 * 1024 * 1024];int* p3 = new int[100 * 1024 * 1024];int* p4 = new int[100 * 1024 * 1024];int* p5 = new int[100 * 1024 * 1024];int* p6 = new int[100 * 1024 * 1024];n1->_next = n2;n2->_next = n3;delete n1;delete n2;delete n3;
}int main()
{try{func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

因此， operator new 是 malloc + 失败抛异常，它是为了封装 malloc；operator delete 是为了配对，就是把 free 封装一下。

5. new 和 delete 的实现原理

5.1 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[] 申请和释放的是连续空间，而且 new 在申请空间失败时会抛异常，malloc 会返回 NULL。

5.2 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

#include <iostream>using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a)" << endl;}A(int a1, int a2){cout << "A(int a1, int a2)" << endl;}A(const A& aa):_a(aa._a){cout << "A(const A& aa)" << endl;}A& operator=(const A& aa){cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;if (this != &aa){_a = aa._a;}return *this;}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a;
};#include <stack>int main()
{//operator new->(malloc) + 构造函数A* p2 = new A;//析构 + operator deletedelete p2;stack<int>* p3 = new stack<int>;delete p3;return 0;
}

---

#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;
};//结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定
int main()
{//A* p1 = new A;A* p2 = new A[10]; //44 or 40 取决于有没有定义析构函数//free(p2);//errdelete[] p2;//delete p2;//errint* p3 = new int[10]; //40//free(p3);return 0;
}

6. 定位new表达式(placement-new)

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 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

#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()
{//A* p1 = new A;A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));//p1->A();//不支持这样显式调用构造//new(p1)A;//对已有空间，显式调用构造new(p1)A(10);//对已有空间，显式调用构造//delete p1;p1->~A();operator delete(p1);//new []A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A) * 10);//new(p2)A[10]{ 1, 2, 3, 4 };//以上写法也可以，但是最好用循环来写for (int i = 0; i < 10; ++i){new(p2 + i)A(i);}//delete[]for (int i = 0; i < 10; i++){(p2 + i)->~A();}operator delete[](p2);return 0;
}

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的定位表达式进行显式调构造函数进行初始化。

7. 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