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从C语言到C++⑨(第三章_C&C++内存管理)详解new和delete+面试题笔试题
目录
3. operator new与operator delete函数详解
3.1 operator new与operator delete函数
3.2 重载operator new 与 operator delete（了解）
7.3 c++中，类ClassA的构造函数和析构函数的执行次数分别为( )
7.4 函数参数使用的空间是在（）中申请的，malloc或new是在（）中申请空间的？（）
7.5 下面有关malloc和new，说法错误的是？ ( )
7.6 设已经有A,B,C,D4个类的定义，程序中A,B,C,D析构函数调用顺序为？ （ ）
7.7 使用 char* p = new char[100]申请一段内存，然后使用delete p释放，有什么问题？( )
7.8 以下代码中，A 的构造函数和析构函数分别执行了几次： ( )
1. C语言动态内存管理
1.1 C/C++内存分布
C/C++内存分布都是一样的。看看我们掌握了多少：
栈区（stack）
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。
执行函数时，函数内部局部变量的存储单元都可以在栈上创建。
函数执行结束后这些存储单元会被自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，
拥有很高的效率，但是分配的内存容量是有限的。
栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区（heap）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
一般由程序员自主分配释放，若程序员不主动不释放，程序结束时可能由操作系统回收。
其分配方式类似于链表。
数据段（data segment）
静态存储区，数据段存放全局变量和静态数据，程序结束后由系统释放。
代码段（code segment）
可执行的代码 / 只读常量。代码段存放类成员函数和全局函数的二进制代码。
一个程序起来之后，会把它的空间进行划分，而划分是为了更好地管理。
函数调用，函数里可能会有很多变量，函数调用建立栈帧，栈帧里存形参、局部变量等等。
内存映射段（memory mapping）（了解）
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共享内存，做进程间通信。
结合以前的知识观察下面一段代码，并回答问题：
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);
}2. 填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;
答案解析：
1.2 C语言中动态内存管理的方式
面试题1：malloc / calloc / realloc 的区别？
这三个函数我们以前学C语言已经学过了：
C语言进阶⑰(动态内存管理)四个动态内存函数+动态通讯录+柔性数组_GR C的博客-CSDN博客
相同点：
1.都是从堆上申请空间
2.都需要对返回值判空
3.都需要用户free释放
4.返回值类型相同（void*）
5.都需要类型转化
6.底层实现上是一样的，都需要开辟多余的空间，用来维护申请的空间
不同点：
1.函数名字不同和参数类型不同。
2.calloc会对申请空间初始化，并且初始化为0，而其他两个不会。
3.malloc申请的空间必须使用memset初始化
4.realloc是对已经存在的空间进行调整，当第一个参数传入NULL的时候和malloc一样
调整分为两种情况：
① 调整的空间比原有空间大：
1.大了一点：多出来的空间小于小于下面空闲的空间，
做法：
1.1 直接延伸申请空间
1.2 返回原空间首地址**
2.大了很多：多出来的空间大于下面空闲空间，
做法：
2.1 重新开辟新空间
2.2 将旧空间的内容拷贝到新空间中
2.3 释放旧空间
2.4 返回新空间的首地址
② 调整的空间比原有空间小：
做法：
1.将原空间缩小
2 .返回旧空间首地址
面试题2：malloc的实现原理？
一个拓展链接：【CTF】GLibc堆利用入门-机制介绍_哔哩哔哩_bilibili
2. C++动态内存管理方式
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
return 0;
}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
(比如写链表的时候要多次申请空间)，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。
2.1 new/delete操作内置类型
new/delete 的用法：
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* p1 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* p2 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* p3 = new int[3];
//释放申请的空间,并置空
delete p1;
p1 = nullptr;
delete p2;
p2 = nullptr;
delete[] p3;
p3 = nullptr;
return 0;
}是不是非常的方便，而且 new 不需要强制类型转换。
2.2 初始化new数组的问题
C++98 不支持初始化 new 数组：
int* p = new int[5];但现在已经2023年了，C++11 允许大括号初始化,
我们就可以用 { } 列表初始化：（后面学C++11还会学这个语法）
int* p4 = new int[5] {1, 2}; // 1 2 0 0 0
int* p5 = new int[5] {1, 2, 3, 4, 5}; // 1 2 3 4 52.3 new 和 delete 操作自定义类型
我们知道了，malloc / free 和 new / delete 对于内置类型没有本质区别，
那么它存在的意义是什么呢？仅仅是因为用法更简洁吗？
巨佬为了这么点事设计出来？可以但没必要，看看作用：
#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()
{
// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间
//还会调用构造函数和析构函数
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
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;
}
new 不仅会开内存，还会调用对应的构造函数初始化，
相对的，free 只是把 p1 p2 指向的空间释放掉。
而 delete 不仅会释 p1 p2 指向的空间，delete 还会调用对应的析构函数。
new / delete 不仅仅是写法上变得简单了， 可以说就是为了自定义类型弄出来的。
（还有以后学的抛异常，下面讲operator new函数也简单的讲了一下）
new 对应的是 delete，可以可以 new 出来的用 free 释放？
不建议大家混着用， new 出来的用 free，有的编译器就会报错，
new[ ] 出来的 你去 delate 而不是 delate[ ] 也可能会报错。
总结：
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。
new：在堆上申请空间 + 调用构造函数输出。
delete：先调用指针类型的析构函数 + 释放空间给堆上。
匹配使用：malloc/free ，delete/delete ，new[ ] / delete[ ]
3. operator new与operator delete函数详解
3.1 operator new与operator delete函数
看看源码：（看不懂的跳过就行）
/*
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，如果该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 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 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_FINALLY
return;
}
/*
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可以知道：
① operator new 实际上也是通过 malloc 来申请空间的。
② operator delete 最终也是通过 free 来释放空间的。
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的应对措施，
如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。
面向过程的语言处理错误的方式：
返回值 + 错误码解决（这个我们之前学过）：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u * 2u);
if (p1 == nullptr)
{
printf("%d
", errno);
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
else
{
printf("%p
", p1);
}
return 0;
}
而面向对象语言处理错误的方式：
一般是抛异常，C++中也要求出错抛异常 —— try catch（后面会细学）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
char* p2 = nullptr;
try
{
char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2u - 1];
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
printf("%p
", p2);
return 0;
}
C++ 提出 new 和 delete，主要是解决两个问题：
① 自定义类型对象自动申请的时候，初始化合清理的问题。
new / delete 会调用构造函数和析构函数。
② new 失败了以后要求抛异常，这样才符合面向语言的出错处理机制。
（delete 和 free 一般不会失败，如果失败了，就是释放空间上存在越界或者释放指针位置不对）
3.2 重载operator new 与 operator delete（了解）
默认情况下operator new 与 operator delete使用全局库里面
如果我们自己重载operator new 与 operator delete了，
那么编译器就会调我们自己重载的，而不会调原来的：
#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;
};
// 重载operator delete，在申请空间时：打印在哪个文件、哪个函数、第多少行，申请了多少个字节
void* operator new(size_t size, const char* fileName, const char* funcName, size_t lineNo)
{
void* p = ::operator new(size);
cout << "new:" << fileName << "||" << funcName << "||" << lineNo << "||" << p << "||" << size << endl;
return p;
}
重载operator delete，在释放空间时：打印再那个文件、哪个函数、第多少行释放，不实现这个，不然使用要加（）
//void operator delete(void* p, const char* fileName, const char* funcName, size_t lineNo)
//{
// cout << "delete:" << fileName << "||" << funcName << "||" << lineNo << "||" << p << endl;
// ::operator delete(p);
//}
// 重载operator delete
void operator delete(void* p)
{
cout << "delete:" << endl;
free(p);
}
#ifdef _DEBUG
#define new new(__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__)
// #define delete(p) operator delete(p, __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__) 不实现这个宏，不然使用要加（）
#endif
int main()
{
A* p1 = new A;
delete p1;
A* p2 = new A[4];
delete[] p2;
A* p3 = new A;
delete p3;
A* p4 = new A;
delete p4;
A* p5 = new A;
delete p5;
return 0;
}这里为了好看就不把文件名打印出来了：
类内重载operator new 与 operator delete：
我们知道：new -> operator new + 构造函数，默认情况下operator new使用全局库里面
每个类可以去实现自己专属operator new new这个类对象，它就会先调自己实现这个operator new
上面我们提到：C语言内存管理方式在有些地方无能为力，而且使用起来比较麻烦
下面代码演示了，针对链表的节点 ListNode 通过重载类专属 operator new / operator delete，
实现链表节点使用内存池申请和释放内存，提高效率：
// new -> operator new + 构造函数
// 默认情况下operator new使用全局库里面
// 每个类可以去实现自己专属operator new new这个类对象，他就会调自己实现这个operator new
// 实现一个类专属的operator new -- 了解一下
#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;
};
struct ListNode
{
int _val;
ListNode* _next;
static allocator<ListNode> alloc;// 内存池
void* operator new(size_t n)
{
cout << "operator new -> STL内存池allocator申请" << endl;
void* obj = alloc.allocate(1);
return obj;
}
void operator delete(void* ptr)
{
cout << "operator delete -> STL内存池allocator申请" << endl;
alloc.deallocate((ListNode*)ptr, 1);
}
struct ListNode(int val)
:_val(val)
, _next(nullptr)
{}
};
// allocator以后会讲，现在先了解即可
allocator<ListNode> ListNode::alloc;
int main()
{
// 频繁申请ListNode. 想提高效率 -- 申请ListNode时，不去malloc，而是自己定制内存池
ListNode* node1 = new ListNode(1);
ListNode* node2 = new ListNode(2);
ListNode* node3 = new ListNode(3);
delete node1;
delete node2;
delete node3;
A* p1 = new A;
return 0;
}
4. new 和 delete 的实现原理
4.1 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 基本相似。
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 再申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
operator new 和 operator delete 就是对 malloc 和 free 的封装。
operator new 中调用 malloc 后申请内存，失败以后，改为抛异常处理错误，
这样符合C++面向对象语言处理错误的方式。
4.2 对于自定义类型
new 的原理：
① 调用 operator new 函数申请空间。
② 在申请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 在申请的空间上调用 N 次构造函数，对它们分别初始化。
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。
5. 定位new（了解）
5.1 定位new表达式(placement-new)
定位 new 表达式实在已分配的原始空间中调用构造函数初始化一个对象。
简单来说就是，定位new表达式可以在已有的空间进行初始化。
写法：
new(目标地址指针)类型 // 不带参
new(目标地址指针）类型(该类型的初始化列表) // 带参注意：目标地址必须是一个指针
5.2 定位new的使用场景
定位 new 在特定情况下是有用的。
比如开的空间是从内存池来的，如果想初始化，我们就可以使用它。
因为内存池分配出的内存初始化，所以如果是自定义类型的对象，
需要使用 new 定义的表达式进行显示调用构造函数进行初始化。
#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* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
if (p2 == nullptr)
{
perror("malloc fail");
}
//new(p2)A;
new(p2)A(10);
return 0;
}模拟一下 new 的行为：
int main()
{
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A(10);
// 模拟一下new的行为
A* p2 = new A(2);
// 等价于:
A* p3 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p3)A(3);
return 0;
}没事不会这么写，但是有时候，内存不一定是从堆来的，比如从内存池来的，
定位 new 就有用了，高并发内存池，实现定长内存池的时候就需要使用 定位 new。
6. 常见面试题
6.1 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
7. 笔试选择题
7.1 下面有关c++内存分配堆栈说法错误的是( )
A.对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制
B. 对于栈来讲，生长方向是向下的，也就是向着内存地址减小的方向；对于堆来讲，它的生长方向是向上的，是向着内存地址增加的方向增长
C.对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题
D.一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到4G的空间，但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的
7.2 C++中关于堆和栈的说法，哪个是错误的:( )
A.堆的大小仅受操作系统的限制，栈的大小一般较小
B.在堆上频繁的调用new/delete容易产生内存碎片，栈没有这个问题
C.堆和栈都可以静态分配
D.堆和栈都可以动态分配
7.3 c++中，类ClassA的构造函数和析构函数的执行次数分别为( )
ClassA *pclassa=new ClassA[5];
delete pclassa;A.5,1
B.1,1
C.5,5
D.程序可能崩溃
7.4 函数参数使用的空间是在（）中申请的，malloc或new是在（）中申请空间的？（）
A.堆，栈
B.栈，堆
C.栈， 栈
D.堆，堆
7.5 下面有关malloc和new，说法错误的是？ ( )
A.new 是创建一个对象(先分配空间，再调构造函数初始化)， malloc分配的是一块内存
B.new 初始化对象，调用对象的构造函数，对应的delete调用相应的析构函数，malloc仅仅分配内存，free仅仅回收内存
C.new和malloc都是保留字，不需要头文件支持
D.new和malloc都可用于申请动态内存，new是一个操作符，malloc是是一个函数
7.6 设已经有A,B,C,D4个类的定义，程序中A,B,C,D析构函数调用顺序为？ （ ）
C c;
void main()
{
A*pa=new A();
B b;
static D d;
delete pa;
}A.A B C D
B.A B D C
C.A C D B
D.A C B D
7.7 使用 char* p = new char[100]申请一段内存，然后使用delete p释放，有什么问题？( )
A.会有内存泄露
B.不会有内存泄露，但不建议用
C.编译就会报错，必须使用delete []p
D.编译没问题，运行会直接崩溃
7.8 以下代码中，A 的构造函数和析构函数分别执行了几次： ( )
A.1、1
B.10、10
C.1、10
D.10、1
7.9 变量所在哪个内存区域以及变量所占空间大小是多少？
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. 选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
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？____
2. 填空题：
sizeof(num1) = ____;
sizeof(char2) = ____; strlen(char2) = ____;
sizeof(pChar3) = ____; strlen(pChar3) = ____;
sizeof(ptr1) = ____;
答案：
7.1 D
A.栈区主要存在局部变量和函数参数，其空间的管理由编译器自动完成，无需手动控制，堆区是自己申请的空间，在不需 要时需要手动释放
B.栈区先定义的变量放到栈底，地址高，后定义的变量放到栈顶，地址低，因此是向下生长的，堆区则相反
C.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题
D.32位系统下，最大的访问内存空间为4G,所以不可能把所有的内存空间当做堆内存使用，故错误
7.2 C
A.堆大小受限于操作系统，而栈空间一般有系统直接分配
B.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题
C.堆无法静态分配，只能动态分配
D.栈可以通过函数_alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放
7.3 D
申请对象数组，会调用构造函数5次，delete由于没有使用[]，此时只会调用一次析构函数，但往往会引发程序崩溃，要想完整释放数组空间，需要使用[]
7.4 B
7.5 C
A.new会申请空间，同时调用构造函数初始化对象，malloc只做一件事就是申请空间
B.new/delete与malloc/free最大区别就在于是否会调用构造函数与析构函数
C.需要头文件malloc.h,只是平时这个头文件已经被其他头文件所包含了，用的时候很少单独引入，故错误
D.new是操作符，malloc是函数
7.6 B
首先手动释放pa， 所以会先调用A的析构函数，其次C B D的构造顺序为 C D B，因为先构造全局对象，再构造局部静态对象，最后才构造普通对象，然而析构对象的顺序是完全按照构造的相反顺序进行的，所以答案为 B
7.7 B
A.对于内置类型，此时delete就相当于free，因此不会造成内存泄漏
B.正确
C.编译不会报错，建议针对数组释放使用delete[],如果是自定义类型，不使用方括号就会运行时错误
D.对于内置类型，程序不会崩溃，但不建议这样使用
7.8 B
A.申请数组空间，构造函数调用的次数就是数组的大小
B.正确
C.申请数组空间，构造函数调用的次数就是数组的大小
D.如果释放数组空间，delete使用了[]，则会对应的调用数组大小次数的析构函数
7.9 本篇最上面已经说过了：
本章完。
下一章：（模板初阶+STL简介）。
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