C++动态内存管理与源码剖析教程

引言

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在本篇文章中，我们主要剖析c++中的动态内存管理，包括malloc、new expression、operator new、array new和allocator内存分配方法以及对应的内存释放方式和他们之间的调用关系，另外也包括一些会引发的陷阱如内存泄漏。

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动态内存管理函数及其调用关系

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c++中的动态内存分配和释放方式有很多，主要包括：

malloc与free
new expression与delete expression
array new 与array delete
operator new和operator delete
allocator中的allocate与deallocate

除此之外还有placement new，但需要注意placement new不是用来内存分配和释放的，而是在已分配的内存上构造对象。

他们之间的调用关系如下：
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下面我们来具体看下每一种分配和释放方式的使用和原理。

malloc与free

    void *p1 = malloc(32); //分配32字节的内存
    free(p1);//释放指针p1指向的内存

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malloc函数以字节数为参数，返回指向分配的内存的首地址的void指针；而free函数释放给定指针指向的内存。

operator new与operator delete

    void *p6 = ::operator new(32); //分配32字节
    ::operator delete(p6);

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PS：底层调用malloc和free。gnu的实现：

_GLIBCXX_WEAK_DEFINITION void *
operator new (std::size_t sz) _GLIBCXX_THROW (std::bad_alloc)
{
  void *p;

  /* malloc (0) is unpredictable; avoid it.  */
  if (__builtin_expect (sz == 0, false))
    sz = 1;

  while ((p = malloc (sz)) == 0)
    {
      new_handler handler = std::get_new_handler ();
      if (! handler)
    _GLIBCXX_THROW_OR_ABORT(bad_alloc());
      handler ();
    }

  return p;
}


_GLIBCXX_WEAK_DEFINITION void
operator delete(void* ptr) noexcept
{
  std::free(ptr);
}

new expression与delete expression

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首先来看下简单的使用：

    int *p2 = new int;
    delete p2;
    
    string *p3 = new string("hello");
    delete p3;

new expression完成两样工作：

申请并分配内存。
调用构造函数。

string *p3 = new string("hello");被编译器替换成下面的工作：

    string *p3;
    try{
            void * tmp_p = operator new(sizeof(string));
            p3 = static_cast<string *>(tmp_p);
            //string 通过宏被替换为basic_string，string的实际实现是basic_string，这里不是重点。
            p3 -> basic_string::basic_string("hello");    //编译器可以这么调用，但我们自己写代码时不能。即我们不能以这种方式通过指针显式调用构造函数。
        }catch (std::bad_alloc){
            //若分配失败，构造函数不执行
        }

我们看到，原来new expression的内存申请和分配是通过调用operator new()来完成的。

delete expression也完成两样工作：

调用析构函数。
释放内存。

delete p3;被编译器替换成下面的工作：

    p3 -> ~string();//通过指针直接调用析构函数。我们自己写代码时也可以这么做。
    operator delete(p3);//释放内存

array new 与array delete

    //Complex为自定义类，只需要知道Complex类中没有指针成员。
    Complex *pca = new Complex[3];//3次构造函数
    delete[] pca;//3次析构函数

    string *psa = new string[3];//3次构造函数
    delete[] psa;//3次析构函数

array new调用一次内存分配函数（底层源码实现中，其实是调用operator new，只是调用的时候计算好了大小。因此，有上下两个cookie。）和多次构造函数。正因为调用多次构造函数，因此只能调用无参构造函数。

Complex和string的很大不同之处在于，string有指针成员，布局如下图：
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array delete调用多次析构函数，一次内存释放函数（底层源码实现中其实是调用一次operator delete）。

我们来看下，如果本应该使用array delete的地方使用了delete expression会发生什么：

    Complex *pca = new Complex[3];//3次构造函数
    delete pca;//1次析构函数

    string *psa = new string[3];//3次析构函数
    delete psa;//1次析构函数

对于Complex，我们使用了array new调用了3次构造函数，却没有使用array delete而使用了delete expression，因此只调用了一次析构函数。那么，会发生内存泄漏吗？不会。因为Complex的析构函数是无关痛痒的(trivial)，因为没有要释放的关联的内存（Complex对象自身所占内存之外没有隐式占用的内存）。

同样，对于string，我们使用了array new调用了3次构造函数，却没有使用array delete而使用了delete expression，因此只调用了一次析构函数。那么，会发生内存泄漏吗？会。因为string的析构函数不是无关痛痒的(non-trivial)，因为要释放关联的内存（我们知道string底层是通过char[]存储的，析构时会释放掉那些实际存储字符的内存）。

PS: 具体的内存布局例子（涉及到cookie、对齐填充padding等等）。

    int *p = new int[10];
    delete[]p;
    //delete p 亦可。int无关痛痒。

VC6中的内存布局如下：
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另：

    Demo *p = new Demo[3];//Demo为析构函数non-trivial的自定义class
    delete[] p;
    //delete p; //错误

VC6中的内存布局（注意红框内的3）：
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allocate与deallocate

#ifdef __GNUC__    //GNUC环境下
    void *p7 = allocator<int>().allocate(4);  //非static函数，通过实例化匿名对象调用allocate，分配4个int的内存。
    allocator<int>().deallocate((int *)p7, 4);
    
    void *p8 = __gnu_cxx::__pool_alloc<int>().allocate(4);
    __gnu_cxx::__pool_alloc<int>().deallocate((int *)p8, 4);
#endif

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allocator为模板，实例化时需提供模板类型参数，上面的程序中模板类型参数为<int>，allocate的参数为4则allocate函数分配时就分配4个int的内存。释放内存时需要给出指向所要释放的内存位置的指针，以及要释放的内存大小，单位为模板类型参数类型的大小。

__pool_alloc也为模板，除底层调用malloc的时机不同外（__pool_alloc使用内存池降低cookie带来的overhead），使用和上面的allocator相同。

placement new

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用法：

    char *buf = new char[sizeof(Complex) * 3];
    Complex *pc = new(buf) Complex(1, 2);
    new(buf + 1) Complex(1, 3);
    new(buf + 2) Complex(1, 3);
    delete[] buf;

Complex *pc = new(buf) Complex(1, 2);被编译器替换成如下的工作：

    Complex *pc;
    try{
            void *tmp = operator new(sizeof(Complex), buf);//该重载版本并不分配内存。buf指针已经指向内存。
            pc = static_cast<Complex*>(tmp);
            pc->Complex::Complex(1, 2);//构造函数
        }catch(std::bad_alloc){
            //若分配失败则不执行构造函数。实际上没有分配，因为之前已经分配完。
        }

上面使用的GNU库重载版本的operator new()函数如下:

// Default placement versions of operator new.
_GLIBCXX_NODISCARD inline void* operator new(std::size_t, void* __p) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT
{ return __p; }

可以看到确实没有分配内存。

重载内存管理函数

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new expression、delete expression都不可重载。

operator new、operator delete可以重载：

重载globaloperator new、operator delete，即::operator new(size_t)与::operator delete(void *)。（一般不会重载全局的该函数，因为影响太广）
重载某个class的operator new、operator delete

若某个类重载了operator new、operator delete，则用new expression实例化该类时，调用的是类的operator new、operator delete，否则，调用globaloperator new、operator delete。

array new、array delete也可以重载。同样分全局的和类所属的。

具体如何重载这些内存管理函数，以及如何使用重载的内存管理函数，将在下一篇文章中分析。

参考资料

[1] 《STL源码剖析》
[2] 《Effective C++》3/e
[3] 《C++ Primer》5/e
[4] 侯捷老师的课程
[5] gcc开源库：https://github.com/gcc-mirror/gcc

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