C++：动态内存分配（new、delete 相比 malloc、free的优势）与运算符重载

一、动态内存分配

（一）内存的分类

在C/C++中，内存主要分为五个部分，其中我们之前C语言学习过程中的动态内存分配读取的堆区的内存。

1. 栈：非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
2. 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。
3. 堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的。
4. 数据段：存储全局数据和静态数据
5. 代码段：可执行代码、只读常量

（二）动态内存分配函数

(1)new 和delete 的使用

在动态内存分配是，通过控制台可以发现，堆区是向上增长的。同时也发现了new / delete 和 malloc / free 这组函数的区别，前者会申请后完成构造，释放时自动调用析构，而后者只做空间的申请。

class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};int main() {cout << "内置类型：" << endl;int* p1 = new int;int* p2 = new int(1);int* p3 = new int[3];delete p1;delete p2;delete[] p3;cout << "自定义类型：" << endl;A* p4 = new A;A* p5 = new A(1);A* p6 = new A[3];delete p4;delete p5;delete[] p6;return 0;
}

（1）new 的原理

通过汇编代码，可以清楚的发现，new 调用了 operator new 函数和构造函数

（2）delete 的原理

和new 一样，先调用了析构函数，后调用了 operater delete。

2、 operator new与operator delete

需要区分的是，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，不是函数重载。new在底层调用operator new来申请空间，delete在底层通过operator delete来释放空间。

（1）operator new 的原理

通过下面代码，我们可以发现，operate new也是通过 malloc 来申请空间，相比于 malloc，不再通过返回值是否为空来判断申请的成功与否，而是抛异常的方式。
而在参数上面二者一致。

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid* 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);
}

（2）operator delete 的原理

不难看出，delete 的底层也是采用free 实现，free 本质是一个宏。

void operator delete(void* pUserData)
{_CrtMemBlockHeader* pHead;RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));if (pUserData == NULL)return;_mlock(_HEAP_LOCK); __TRYpHead = pHdr(pUserData);_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);__END_TRY_FINALLYreturn;
}#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

（三）定位new

如果我们想要将申请空间和构造函数、释放空间和析构函数分开调用，又该怎么办呢。我们知道构造函数不可以显示调用，此时可以用到定位new。

new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
其中，place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表

A* object = (A*)malloc(sizeof(A));
new(object)A(1);
object->~A();
free(object);A* object2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(object2)A;
object2->~A();
free(object2);

在上面的代码中，采用malloc和operater new的唯一区别就是前者可以通过检查返回值查看是否开辟成功，而后者通过抛异常的方式检测。

（四） malloc/free和new/delete的区别

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，多个对象在[]中指定对象个数
4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要
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和delete会调用构造函数与析构函数。

二、操作符重载

我们通过实现一个日期类来说明这部分知识。由于运算符重载并不复杂，挑选有特点的部分讲解。

运算符重载要点
1、可以利用运算符之间的联系来重载其它运算符。
2、对于不改变this 指针的运算符，可以考虑加上 const 否则一些const对象在调用时可能会造成权限的放大，导致错误

（一）输入输出重载

输入输出流重载中，只能写成全局函数。因为成员函数中存在隐藏的this 指针，而函数重载规定参数列表中的第一个参数是在运算符右边，如果写成成员函数就要反过来，老别扭了。

ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;return out;
}istream& operator>>(istream & in,  Date & d)
{while (1) {cout << "请输入年、月、日" << endl;in >> d._year >> d._month >> d._day;if (!d.check_date()) {cout << "日期不合法，请重新输入！" << endl;continue;}break;}return in;
}

（二）其它操作符重载

class Date {friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& data);friend istream& operator>>(istream& in,  Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1);bool check_date() const;bool isRunNian() const;int getMonthDay(int month) const;void print_date() const;//比较运算符重载bool operator<(const Date& d) const;bool operator<=(const Date& d) const;bool operator>(const Date& d) const;bool operator>=(const Date& d) const;bool operator==(const Date& d) const;bool operator!=(const Date& d) const;//加减运算符重载Date& operator+=(int day);Date operator+(int day) const;Date& operator-=(int day);Date operator-(int day) const;int operator-(const Date& d) const;Date& operator++();Date operator++(int);Date& operator--();Date operator--(int);
private:int _year;int _month;int _day;static int _month_day[13];
};int Date::_month_day[13] = {0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31 };Date::Date(int year, int month, int day):_year(year), _month(month), _day(day)
{if (!check_date()) {cout << "日期不合法!" << endl;}
}bool Date::check_date() const
{if (_month > 12 || _month < 1)return false;else if (_day > getMonthDay(_month) || _day < 1) return false;else return true;
}bool Date::isRunNian()const
{if ((_year % 4 == 0 && _year % 100 != 0) || _year % 400 == 0)return true;else return false;
}int Date::getMonthDay(int month) const
{if (month == 2) {if (isRunNian()) return 29;}return _month_day[month];
}void Date::print_date() const
{cout << _year << '-' << _month << '-' << _day << endl;
}bool Date::operator<(const Date& d) const 
{if (_year != d._year)return _year < d._year;else if (_month != d._month) return _month < d._month;else return _day < d._day;
}bool Date::operator<=(const Date& d) const
{return (*this < d || *this == d);
}
bool Date::operator>(const Date& d) const
{return !(*this <= d);
}
bool Date::operator>=(const Date& d) const
{return !(*this < d);
}
bool Date::operator==(const Date& d) const
{return _year == d._year && _month == d._month && _day == d._day;
}
bool Date::operator!=(const Date& d) const
{return !(*this == d);
}Date& Date::operator+=(int day)
{_day += day;while (_day > getMonthDay(_month)) {_day -= getMonthDay(_month);if (++_month == 13) {_month = 1;_year += 1;}}return *this;
}Date Date::operator+(int day) const
{Date object(*this);object += day;return object;
}Date& Date::operator-=(int day)
{_day -= day;while (_day < 1) {if (--_month == 0) {_month = 12;_year -= 1;}_day += getMonthDay(_month);}return *this;
}
Date Date::operator-(int day) const
{Date object(*this);object -= day;return object;
}int Date::operator-(const Date& d) const
{Date max = *this;Date min = d;int flag = 1;if (max < min) {max = d;min = *this;flag = -1;}int n = 0;while (min != max) {min += 1;n++;}return n;
}Date& Date::operator++()
{return (*this += 1);
}Date Date::operator++(int)
{Date temp(*this);*this += 1;return temp;
}Date& Date::operator--()
{return (*this -= 1);
}Date Date::operator--(int)
{Date temp(*this);*this -= 1;return temp;
}void test01()
{Date object1(2024, 2, 29);Date object2(2024, 2, 18);Date object3(2024, 2, 18);if (object1 > object2) cout << "object1 < object2" << endl;if (object3 == object2) cout << "object3 == object2" << endl;
}ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "年" << d._month << "月" << d._day << "日" << endl;return out;
}istream& operator>>(istream & in,  Date & d)
{while (1) {cout << "请输入年、月、日" << endl;in >> d._year >> d._month >> d._day;if (!d.check_date()) {cout << "日期不合法，请重新输入！" << endl;continue;}break;}return in;
}void test02()
{Date object1(1940, 10, 5);Date object2(2024, 8, 27);Date object3(2024, 9, 19);Date object4(2004, 7, 19);object4 += 7367;object4.print_date();object3 -= 7367;object3.print_date();cout << object3 - object4 << endl;cout << object2 - object1 << endl;object1++;object1.print_date();object1--;object1.print_date();

结束语

小伙伴们，文章就先告一段落了，感谢各位长期以来的支持，博主就先撤啦！