C++：new与delete

hello，各位小伙伴，本篇文章跟大家一起学习《C++：new与delete》，感谢大家对我上一篇的支持，如有什么问题，还请多多指教！

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:rocket: C++内存管理

🚀 C++内存管理

我们学过malloc、calloc、realloc、free，这些都是我们在C语言时学的，那么C++又引入了什么呢？

✈️ 初识`new`和`delete`

没错，就是new和delete，他们都是用于动态内存管理的操作符。

new 用于在堆内存中动态地分配内存空间，通常用于创建对象或数组。
delete 用于释放由 new 分配的内存空间，以防止内存泄漏。

以下是它们的基本用法：

// 使用 new 分配单个对象的内存空间
int* ptr = new int;

// 使用 new 分配数组的内存空间
int* arr = new int[10];

// 使用 delete 释放单个对象的内存空间
delete ptr;

// 使用 delete[] 释放数组的内存空间
delete[] arr;

🔥在使用 new 分配内存后，必须使用 delete 或 delete[] 来释放这些内存，否则会导致内存泄漏。

当然，我们还可以在new时进行初始化，如：

int* ptr = new int(1);
int* arr = new int[10]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};

但是对于数组，我们一般用循环初始化，毕竟数组的元素个数可多可少

🔥同样是在堆上进行操作，那么new和delete相比于malloc和free又有什么优势呢？

构造函数和析构函数的调用：
- 使用 new 分配的内存会调用对象的构造函数，而释放内存时会调用对象的析构函数。
- 使用 malloc() 分配的内存不会调用对象的构造函数和析构函数，它仅分配内存空间。
- 因此，如果你在 C++ 中使用类，尤其是含有构造函数和析构函数的类，应该优先使用 new 和 delete，以确保对象的生命周期正确管理。
类型安全：
- new 和 delete 是类型安全的，它们会自动为分配和释放的内存调用正确的构造函数和析构函数。
- malloc() 和 free() 不是类型安全的，它们仅仅操作指针和内存地址，不关心数据类型。
数组分配：
- new[] 和 delete[] 用于分配和释放数组，它们可以正确处理数组的元素。
- malloc() 和 free() 无法直接处理数组，你需要手动跟踪分配的内存大小，并确保正确释放。
内存对齐：
- new 和 new[] 会保证分配的内存按照对象的对齐要求进行，而 malloc() 则不保证内存对齐。
- 内存对齐在某些情况下可能会影响性能和内存访问的正确性。

总的来说，在 C++ 中，如果你在使用类或动态分配数组，最好使用 new 和 delete，因为它们更符合 C++ 的对象模型，并且提供了更多的类型安全和便利性。

还有

new不需要强制类型转换
new不需要计算需要多大内存空间

✈️ `new`和`delete`底层逻辑

🔥 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。

看下述代码：

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* ptr = (A*)operator new(sizeof(A));

	new(ptr)A;// 调用构造函数，不能直接调用
	ptr->~A();// 调用析构函数，能直接调用

	return 0;
}

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。
operator delete该函数最终是通过free来释放空间的。

new(ptr)A;// 调用构造函数，不能直接调用
ptr->~A();// 调用析构函数，能直接调用

由于operator delete并不会调用构造函数和析构函数，要手动操作。
调用构造函数时也可以传参：

new(ptr)A(1);

✈️ 数组`new[]`和`delete[]`注意事项

🔥对于delete[]和delete一定要对应使用
对于动态分配的内存，在释放时必须使用与分配时相对应的操作符。

对于使用new分配的单个对象，应使用delete释放内存。
对于使用new[]分配的数组，应使用delete[]释放内存。

使用delete释放使用new[]分配的内存或使用delete[]释放使用new分配的内存都会导致未定义的行为。这是因为new和new[]分别调用了不同的构造函数，因此释放时必须相应地使用delete或delete[]来调用相应的析构函数。

例如，如果你这样分配内存：

int* a= new int;
int* arr= new int[10];

则应该这样释放内存：

delete a;
delete[] arr;

这样做可以确保内存被正确释放，避免内存泄漏和其他潜在的问题。

🔥对于自定义类型，还有一些要注意的点
我们来看下述代码1：

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* ptr = new A[10];

	return 0;
}

大家猜猜系统为开辟的数组一共用了多大的内存（32位机器）
答案是：44字节
在这里插入图片描述
我们再来看看这个代码2：

int main()
{
	int* arr = new int[10];
	return 0;
}

大家再猜猜系统为开辟的数组一共用了多大的内存（32位机器）
答案是：40字节
在这里插入图片描述

这就奇怪了呀，明明都是开10个int类型的数组，为什么？

这是因为自定义类型中有析构函数，那么编译器会认为这个析构函数是需要使用的，但是要析构多少次，就要多开4个字节（32位机器地址大小为4个字节，64位地址大小为8字节）来存储有多少个元素需要进行析构，如图：
在这里插入图片描述

那么如果该自定义类型没有析构函数，是不是就变成40字节了？
答案是：正确的
在这里插入图片描述

✈️ `new`和`delete`的实现原理

🔥对于内置类型：
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。

🔥对于自定义类型：

new的原理

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间

new T[N]的原理

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
在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

✈️ 定位new表达式(placement-new) （现阶段了解一下即可）

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
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的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

class A
{
public:
	A(int a = 1)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
	A* ptr = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(ptr)A(10);// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参，如我所写
	free(ptr);
	
	A* ptr = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(ptr)A(10);
	operator delete (ptr);
	
	return 0;
}

✈️ 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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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

✈️ 关于内存泄漏

1.🔥内存泄漏的危害！！！

内存泄漏是指程序在动态分配内存后，无法再次访问或释放该内存，导致程序持续占用内存而不释放。内存泄漏可能会导致以下危害：

内存资源浪费：内存泄漏会导致程序持续占用内存而不释放，随着时间的推移，系统的可用内存将逐渐减少，可能导致系统性能下降甚至崩溃。
程序性能下降：随着内存泄漏的累积，系统可用内存减少，可能会导致频繁的内存交换（如果系统使用虚拟内存），增加了页面调度的开销，降低了程序的整体性能。
程序崩溃：当程序持续占用内存而不释放，最终可能导致系统内存耗尽，触发操作系统的内存管理机制，导致程序崩溃或被系统强制终止。
资源管理混乱：内存泄漏可能会导致程序中的资源管理混乱，例如无法及时释放打开的文件、数据库连接或网络连接，进而影响系统的稳定性和可靠性。
难以调试和定位问题：内存泄漏通常是程序中较为隐蔽的问题，随着内存使用的增加，程序的运行速度可能会变慢，但不一定会立即导致崩溃或错误，因此难以定位和调试。

为了避免内存泄漏的危害，程序员应该养成良好的内存管理习惯，及时释放不再需要的内存，并使用内存检测工具（如Valgrind、AddressSanitizer等）来帮助检测和修复潜在的内存泄漏问题。

小伙伴们一定要记得噢！！！

2.🔥内存泄漏的分类（了解一下即可）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak)

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统
资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

3.🔥如何检测内存泄漏（了解一下）

在vs下，可以使用windows操作系统提供的_CrtDumpMemoryLeaks() 函数进行简单检测，该函数只报出
了大概泄漏了多少个字节，没有其他更准确的位置信息。

int main()
{
	int* p = new int[10];

	// 将该函数放在main函数之后，每次程序退出的时候就会检测是否存在内存泄漏
	_CrtDumpMemoryLeaks();
	return 0;
}


// 程序退出后，在输出窗口中可以检测到泄漏了多少字节，但是没有具体的位置
Detected memory leaks!
Dumping objects ->
{79} normal block at 0x00EC5FB8, 40 bytes long.
Data: < > CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD CD
Object dump complete.