優化C++資源利用：探索高效內存管理技巧

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🍔前言：
我們之前在C語言中學習過動態內存開辟，使用malloc、calloc與realloc進行開辟，使用free進行堆上內存的釋放。進入C++后對于動態內存開辟我們又有了新的內容new與delete。今天我們來學習C++中的動態內存開辟！

我們先來進行一下內存管理的復習。

C/C++內存分布

C語言中動態內存管理方式：malloc/calloc/realloc/free?

C++內存管理方式

new/delete操作內置類型

new和delete操作自定義類型

operator new與operator delete函數

new和delete的實現原理

內置類型

?自定義類型

定位new表達式(placement-new)

C++與new的使用場景?

C/C++內存分布

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. 選擇題：選項: A.棧 ?B.堆 ?C.數據段(靜態區) ?D.代碼段(常量區)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？____

?globalVar在哪里？C? staticGlobalVar在哪里？C??staticVar在哪里？C? localVar在哪里？A??num1 在哪里？A??char2在哪里？A? *char2在哪里？A? pChar3在哪里？A? ?*pChar3在哪里？D??ptr1在哪里？A? ?*ptr1在哪里？C

這些都是上述的答案，全部是關于各種類型的數據在C++中的存放位置。

【說明】
1. 棧又叫堆棧--非靜態局部變量/函數參數/返回值等等，棧是向下增長的。
2. 內存映射段是高效的I/O映射方式，用于裝載一個共享的動態內存庫。用戶可使用系統接口
創建共享共享內存，做進程間通信。（Linux課程如果沒學到這塊，現在只需要了解一下）
3. 堆用于程序運行時動態內存分配，堆是可以上增長的。
4. 數據段--存儲全局數據和靜態數據。
5. 代碼段--可執行的代碼/只讀常量。

C語言中動態內存管理方式：malloc/calloc/realloc/free?

void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的區別是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 這里需要free(p2)嗎？
free(p3 );
}

相信大家對malloc與calloc非常熟悉，唯一的區別就是參數不同，還有就是calloc給予開辟空間初始化，而malloc卻沒有。realloc是對calloc與malloc進行擴容的，擴容分為異地擴容與原地擴容，當目標位置空間足夠時會進行原地擴容，反之如果不夠將進行異地擴容。

博主在之前的博客中詳細講解了C語言中的動態內存開辟，如果有疑問可以點擊下面鏈接進行學習：C語言中動態內存管理方式：malloc/calloc/realloc/free?https://blog.csdn.net/m0_74755811/article/details/131820896?spm=1001.2014.3001.5501

C++內存管理方式

C語言內存管理方式在C++中可以繼續使用，但有些地方就無能為力，而且使用起來比較麻煩，因
此C++又提出了自己的內存管理方式：通過new和delete操作符進行動態內存管理。?

new/delete操作內置類型

void Test()
{// 動態申請一個int類型的空間int* ptr4 = new int;// 動態申請一個int類型的空間并初始化為10int* ptr5 = new int(10);// 動態申請10個int類型的空間int* ptr6 = new int[3];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;
}

通過上述代碼可以看出，使用new進行申請空間非常簡單，只需要new加上類型即可。如果我們想進行初始化即可在后面加上(n)即可。當進行開辟多個內存空間時，我們像申請數組一樣進行申請即可。但是在多個內存釋放時，一定要加上[]。

看到現在我們覺得malloc與new的功能差不多呀，最多就是少些一些字母，那為什么C++還要創造一個新的字符進行學習呢？我們接著往下看：

new和delete操作自定義類型

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最大區別是 new/delete對于【自定義類型】除了開空間
//還會調用構造函數和析構函數
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 內置類型是幾乎是一樣的
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;
}

?在內置類型中new與malloc是沒有任何區別的，而在自定義類型中就會體現出極大的不同。在自定義類型中malloc不會對開辟的成員對象進行初始化，而new會自動調用構造函數。而在結束時delete會調研析構函數。所以說new與delete關鍵字就是為C++面向對象而產生的！！！

operator new與operator delete函數

?new和delete是用戶進行動態內存申請和釋放的操作符，operator new 和operator delete是
系統提供的全局函數，new在底層調用operator new全局函數來申請空間，delete在底層通過
operator delete全局函數來釋放空間。

/*
operator new：該函數實際通過malloc來申請空間，當malloc申請空間成功時直接返回；申請空間
失敗，嘗試執行空 ???????間不足應對措施，如果改應對措施用戶設置了，則繼續申請，否
則拋異常。
*/
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// 如果申請內存失敗了，這里會拋出bad_alloc 類型異常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}
return (p);
}
/*
operator delete: 該函數最終是通過free來釋放空間的
*/
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的實現
*/
#define ?free(p) ???????_free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通過上述兩個全局函數的實現知道，operator new 實際也是通過malloc來申請空間，如果
malloc申請空間成功就直接返回，否則執行用戶提供的空間不足應對措施，如果用戶提供該措施
就繼續申請，否則就拋異常。operator delete 最終是通過free來釋放空間的。

那我們就會有疑問，new的底層邏輯就是malloc，delete的底層邏輯就是free。那么我們使用new開辟的空間能不能使用free進行釋放呢？

答案是：可以，但最好不要交叉使用。因為有時候程序會正常進行，但是有時候就會報錯。這是為什么呢？

當我們使用new申請一塊非常簡單的空間，只有一些基本的變量，最多就是少調用了一層析構函數，并不會影響空間的釋放。但是當我們進行比如棧的開辟創建：

class Stack
{
public:Stack(){cout << "Stack()" << endl;_a = new int[4];_top = 0;_capacity = 4;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;delete[] _a;_top = _capacity = 0;}private:int* _a;int _top;int _capacity;
};
int main()
{Stack st;Stack* pst = new Stack;delete pst;return 0;
}

第一種情況是指針指向在堆開好的空間，只有兩層關系，而使用new進行開辟先在堆上開辟對象空間，對象在使用構造函數進行初始化在堆上再開一層空間，是三層的關系。如果我們要使用free進行釋放空間，只能將第二層進行釋放，而第三層就產生了內存泄漏！！！

所以我們不要交叉使用，做到一一對應！！！

new和delete的實現原理

內置類型

如果申請的是內置類型的空間，new和malloc，delete和free基本類似，不同的地方是：
new/delete申請和釋放的是單個元素的空間，new[]和delete[]申請的是連續空間，而且new在申
請空間失敗時會拋異常，malloc會返回NULL。

?自定義類型

new的原理
1. 調用operator new函數申請空間
2. 在申請的空間上執行構造函數，完成對象的構造
delete的原理
1. 在空間上執行析構函數，完成對象中資源的清理工作
2. 調用operator delete函數釋放對象的空間
new T[N]的原理
1. 調用operator new[]函數，在operator new[]中實際調用operator new函數完成N個對
象空間的申請
2. 在申請的空間上執行N次構造函數
delete[]的原理
1. 在釋放的對象空間上執行N次析構函數，完成N個對象中資源的清理
2. 調用operator delete[]釋放空間，實際在operator delete[]中調用operator delete來釋
放空間?

定位new表達式(placement-new)

定位new表達式是在已分配的原始內存空間中調用構造函數初始化一個對象。
使用格式：
new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
place_address必須是一個指針，initializer-list是類型的初始化列表
使用場景：
定位new表達式在實際中一般是配合內存池使用。因為內存池分配出的內存沒有初始化，所以如
果是自定義類型的對象，需要使用new的定義表達式進行顯示調構造函數進行初始化。

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現在指向的只不過是與A對象相同大小的一段空間，還不能算是一個對象，因為構造函數沒
有執行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; ?// 注意：如果A類的構造函數有參數時，此處需要傳參
p1->~A();
free(p1);
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10);
p2->~A();
operator delete(p2);return 0;
}

C++與new的使用場景?

雖然malloc與new都是在堆上進行開辟空間，但是他們獲取內存的方式不一樣。malloc是需要多少就索取多少，而new是”提前預支“內存，這樣就可以提高new的效率，但是卻導致了new空間浪費。所以說有利有弊，我們應該在適當的情況使用適當的做法。

C++中使用malloc和new有不同的用途和行為，你可以根據需要選擇哪個更適合你的情況。以下是一些情況下的推薦用法：
使用malloc的情況：

1.C兼容性：如果你編寫的是C++代碼，并且需要與C庫或其他C代碼進行交互，使用malloc可能更合適，因為malloc是C標準庫函數。
2.需要手動管理構造和析構： malloc只分配內存，不會自動調用構造函數或析構函數。如果你需要手動控制對象的構造和析構過程，或者分配的內存不是用于存儲對象（例如分配原始字節數組），則使用malloc。
3.需要明確指定內存大小： malloc接受一個字節數作為參數，而new會考慮類型的大小和額外的構造函數開銷。如果你需要確切控制內存分配的字節數，可以使用malloc。
4.不需要類型檢查： new是類型安全的，而malloc不是。如果你需要執行類型不安全的操作，可能需要使用malloc。

使用new的情況：

5.C++對象分配：如果你需要分配內存以存儲C++對象，通常應使用new或new[]。new會自動調用對象的構造函數，new[]用于動態分配數組，并在必要時調用構造函數。
6.類型安全： new提供了類型安全性，可以避免一些常見的內存錯誤，例如內存泄漏和越界訪問。
7.更簡潔的語法： new和new[]的語法更簡潔，不需要顯式指定分配的字節數。
8.自動內存管理： new分配的內存會在對象的生命周期結束時自動釋放，從而減少了內存泄漏的風險。

總的來說，如果你編寫純粹的C++代碼并需要分配內存以存儲對象，通常建議使用new或new[]，因為它們提供更好的類型安全性和內存管理。使用malloc通常是在需要更底層的內存分配控制，或者與C代碼進行交互時的情況。無論使用哪種方法，都需要謹慎管理內存，確保在不再需要時釋放它，以避免內存泄漏。

以上就是本次全部內容，感謝大家觀看！！！?