C++：Memory Management

浅谈C++内存管理

new和delete

在C++中，咱们习惯用new申请堆中的内存，配套地，使用delete释放内存。

class LiF;
LiF* lif = new LiF(); // 分配内存给一个LiF对象
delete lif; // 释放资源
lif = nullptr; // 指针置空，保证安全

与C的malloc相比，咱们发现，new操做在申请内存的同时还完成了对象的构造，这也是new运算符作的一层封装。

内存是怎样申请的

从new这个例子能够看出，C++的内存管理大有门道，而内存管理也是C++中最为重要的一部分。在硬件层之上的第一层封装就是操做系统，高级语言编写的程序也将做为进程在这里接受进程调度，其中就涉及到内存的分配。从这个意义上理解，能够说，内存是向操做系统申请的（不严格正确）。

在C++应用层（Application），咱们最经常使用的是C++ primitive（原语）操做，new、new[]、new()、::operator new()等，申请内存。在primitive之上，C++的Library还为咱们提供了各类各样的allocator（容器，或者说分配器），如std::allocator，能够经过这些容器分配内存，但其实容器仍是经过new和delete运算符去实现内存的申请与释放。在new之下，则是Microsoft的CRT库提供的malloc和free，new操做是对malloc的封装。再往下就是操做系统的API。这些内存管理的API的关系大体以下：

再谈new和delete

new expression

一般，咱们会使用new在堆中申请一块内存，并把这块内存的地址保存到一个指针，这个操做就是new操做，但严格来讲，它其实应该称为new expression（new表达式）。

LiF* lif = new LiF(); // new expression

但其实，new是一个复合操做，一般会被编译器转换为相似以下的形式：

LiF* lif;
try {
    void* mem = operator new(sizeof(LiF)); // apply for memory
    lif = static_cast<LiF*>(mem); // static type conversion
    lif->LiF::LiF(); // constructor
} catch(std::bad_alloc) {
    // exception handling
}

new作了什么

1. 调用operator new申请足够存放对象大小的内存；
2. 把申请到的内存交给咱们的指针；
3. 最后调用构造函数构造对象。

operator new

在try/catch块的第一句，new expression调用了operator new，它的原型是：

// 位于<vcruntime_new.h>
_Ret_notnull_ _Post_writable_byte_size_(_Size)
_NODISCARD _VCRT_ALLOCATOR void* __CRTDECL operator new(
    size_t _Size
);

_Ret_maybenull_ _Success_(return != NULL) _Post_writable_byte_size_(_Size)
_NODISCARD _VCRT_ALLOCATOR void* __CRTDECL operator new(
    size_t _Size,
    std::nothrow_t const&
) noexcept;

而在operator new()会去调用::operator new()，最后，::operator new()的内部其实是调用了malloc。operator new()的工做就是经过malloc不断申请内存，直到申请成功。在operator new的第二个重载中能够看到，这是一个noexcept的函数，由于咱们能够认为，内存的申请老是能够成功的，由于在operator new()内部，每当申请失败时，他都会调用一次new handler，能够把new handler理解为一个内存管理策略，它会释放掉一些不须要的内存，以便当前的malloc能够申请到内存。能够说，operator new的工做就是申请内存。

placement new

在new拆解获得的第三步，它调用了对象的构造函数，并且在表达上比较特殊：lif->LiF::LiF();。编译器经过对象指针直接调用了对象的构造函数，但若是咱们在程序中这样写，编译通常是没法经过的，这不是源代码的语法。在上面的语句中，咱们已经完成了内存的分配工做，显然这一步是在进行对象的构造，这个操做也被称为placement new，即定点构造，在指定的内存块中构造对象。

new expression是operator new和placement new的复合。

delete expression

在咱们再也不须要某一个对象时，一般使用delete析构该对象。delete操做严格来讲，与new对应，它应该称为delete expression（delete表达式）。

delete lif; // delete expression
lif = nullptr;

一样，delete也是一个复合操做，一般会被编译器转换为相似以下的形式：

lif->~LiF(); // destructor
operator delete(lif); // free the memory

delete作了什么

1. 调用对象的析构函数；
2. 释放内存。

operator delete

在delete操做的第二步，其实是执行了operator delete()，它的原型是：

void __CRTDECL operator delete(
    void*  _Block,
    size_t _Size
) noexcept;

而operator delete实际上是调用了全局的::operator delete()，::operator delete()又调用了free进行内存的释放。

也就是说，new和delete是对malloc和free的一层封装，这也对应了上面图中的内容。

array new和array delete

array new即new[]，顾名思义，它用于构造一个对象数组。

class LiF {
public:
    LiF(int _lif = 0): lif(_lif) {}
    int lif;
};

LiF* lifs = new LiF[3]; // right
LiF* lifs = new LiF[3](); // right
LiF* lifs = new LiF[3](1); // wrong, no param accepted
LiF* lifs = new LiF[3]{1}; // right, but only lifs[0].lif equals 1

array new的工做是申请一块足以容纳指定个数的对象的内存（在本例中是3个LiF对象）。在前两种写法中，array new调用的是默认构造函数，这种状况下只能默认构造对象，但若是又想要给对象赋予非默认的初值，那么就须要使用到placement new了。

LiF* lifs = new LiF[3];
LiF* p = lifs;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    new(p++)LiF(i+1); // placement new
    cout << lifs[i].lif << endl;
}

直观地，placement new并不会分配内存，它只是在已分配的内存上构造对象。对应地，使用array new构造的对象须要使用array delete释放内存。

delete[] lifs;

相较于array new，array delete不须要提供数组长度参数。这是由于，在使用array new构造对象的时候，还有一块额外的空间用于存放cookie，也就是这块内存的一些信息，其中就包括这个内存块的大小和对象的数量等等。

class LiF {
public:
    //...
    ~LiF() { cout << "des" << endl; }
};

delete[] lifs; // array delete

此时咱们显式地定义析构函数，而且在析构函数被调用时打印信息。在运行到delete[]的时候，程序就会根据cookie中的信息，准确地释放对应的内存块，本例中，“des”会被打印三次，即3个对象的析构函数都被调用了。此时若是错误地调用delete而非array delete，那么就可能会发生内存泄漏。

delete lifs; // delete

这时只会调用一次析构函数，但本例中并不会发生泄漏，这个简单的类中并无包含其余对象。再看下面这种状况：

class LiF2 {
public:
    LiF2() : lif(new LiF()) {}
    LiF2(const LiF& _lif) : lif(new LiF(_lif.lif)) {}
    ~LiF2() { delete lif; lif = nullptr; }
private:
    LiF* lif;
};

LiF2* lif2 = new LiF2[3];
delete lif2; // call "delete" by mistake

这时，因为错误地使用了delete，析构函数只会被调用一次，也就是说，还有另外两个对象，虽然对象自己被销毁了，但对象中的lif指针所指的对象却没有被销毁，即：对象自己不会发生泄漏，泄漏的是对象中指针保存的内存。

深刻placement new

以前提到的new()操做以及new expression拆解的第三步，其实都是placement new。在主动使用placement new时，它的通常格式为：

new(pointer)Constructor(params);
// or
::operator new(size_t, void*);

它的做用是：把对象（object）构造在已分配的内存（allocated memory）中。一样也能够在vcruntime_new.h中找到相关定义：

#ifndef __PLACEMENT_NEW_INLINE
    #define __PLACEMENT_NEW_INLINE
    _Ret_notnull_ _Post_writable_byte_size_(_Size) _Post_satisfies_(return == _Where)
    _NODISCARD inline void* __CRTDECL operator new(size_t _Size, _Writable_bytes_(_Size) void* _Where) noexcept
    {
        (void)_Size;
        return _Where;
    }

    inline void __CRTDECL operator delete(void*, void*) noexcept
    {
        return;
    }
#endif

能够看到，placement new并无作任何工做，它只是把咱们传递的指针又return了回来。结合下面的例子就不难理解这个逻辑。

class LiF {
public:
    LiF(int _lif = 0): lif(_lif) {}
    int lif;
};

LiF* lifs = new LiF[3]; // array new
LiF* lif = new(lifs)LiF(); // placement new

咱们在array new获得的LiF对象数组中的第一个对象上使用了placement new，一样拆解这个new操做能够获得相似上面普通new的一个try/catch块：

LiF* lif;
try {
    void* mem = operator new(sizeof(LiF), lifs); // placement new
    lif = static_cast<LiF*>(mem); // static type conversion
    lif->LiF::LiF(); // constructor
} catch(std::bad_alloc) {
    // exception handling
}

此外，在__PLACEMENT_NEW_INLINE宏还包含了一个placement delete的定义：

inline void __CRTDECL operator delete(void*, void*) noexcept
{
    return;
}

能够看到，它也是不作任何工做的，所谓的placement delete只是为了形式上的统一。

总结

• 内存的申请释放能够在不一样层面上进行，但只要是在操做系统之上，都是基于malloc/free。
• 在C++ primitive层，一般使用new和delete系列，new是对malloc的封装，delete是对free的封装。
• 一般new是指new expression。严格来讲，new的含义有三种：new expression、operator new和placement new。new expression是operator new和placement new的复合，operator new负责内存的申请，placement new负责对象的构造；此外还有new[]。
• 全部的内存申请/释放操做都必须配套使用。