C++内存管理与模板

前言：

C++的内存管理和C语言中动态内存分配是相似的，在这一篇我们会学到更符合面向对象的new和delete；

学习模板知识，是我们迈入STL的最后一步，届时可以飞速转为C++选手；

一.new和delete基本用法

new后面加类型会开辟类型大小的空间，p1维护一个整型的空间，使用圆括号进行初始化；单纯用new在堆上开辟的空间使用delete释放。

parr维护一个5个double元素的数组，使用{}为数组按顺序初始化，未完全初始化的默认给0；使用new[]开辟空间的使用delete[]释放，具体原因后面讲。

以上对内置类型进行堆空间分配和释放和C语言使用malloc和free本质上没有区别，只是用法上不太一样，比如不需要计算类型大小、无需强转。

new和delete解决的问题不在于内置类型，而是自定义类型，请看下面代码：

new在为类对象开辟空间的时候，会调用类对象的构造函数初始化对象，这是为了符合“刚创建的对象最好一开始进行初始化”，因此new有两个功能：1.开辟空间；2.调用构造函数；

对于自定义类型会去调用构造函数，对于内置类型不会，因为没有构造函数可以掉，在C++中很多都是针对自定义类型的，这是面向对象的特征。

delete在释放new为类对象开辟的空间之前会先调用析构函数进行资源清理，然后再释放对象，也就是说delete的功能是：1.清理资源；2.释放空间；

接下来我们讲一个复杂一点的：创建栈对象

class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){cout << "Stack(int capacity = 4)" << endl;_a = new int[capacity];//new开辟空间失败不返回空指针_top = 0;_capacity = capacity;}~Stack(){cout << "~Stack()" << endl;delete[] _a;_a = nullptr;_top = _capacity = 0;}private:int* _a;int _top;int _capacity;
};int main()
{Stack* ptr = new Stack;delete ptr;return 0;
}

到这里，new和delete使用我们讲清楚了，那么new和delete到底是什么呢？它是如何完成这些工作的，让我们来看看new和delete的底层。

二.底层实现

new和delete是C++里的两个操作符，基本用法就是上面讲的。在C语言中malloc是用来开辟空间的，但是如果失败返回空指针不符合C++面向对象的惯常做法，此时祖师爷封装了这么一对全局函数：

operator new的主逻辑是调用C库中的malloc函数，然后对malloc开辟空间失败的情况进行封装，从返回空指针变成更符合面向对象的抛异常。

因此读者可以这么理解：operator new本质就是一个封装版的malloc，对malloc开辟空间失败的情况做了处理。

讲到这里，相信大家已经猜到operator delete的本质是free了。没错，operator delete单纯是用来配对operator new，和free本质上没有区别。

读者：好，博主，我知道了！这是两个全局函数，那它和new、delete这两个操作符有什么关系呢？

当我们使用new这个操作符的时候，翻译成汇编看到：编译器会自动去调用operator new这个函数，还有调用构造函数的。delete也是，会先调用析构函数，再调用operator delete。

到这里，new和delete再也不是很神秘的东西了，底层的operator new 和 operator delete就是C语言中的malloc和free。

我们看到如果在使用new[]的时候，调用operator new[]这个函数，但是进到这个函数内部，立马调用operator new，因此这个带[]的new函数仅是为了对称。

开辟5个栈对象，总大小应该是60才对，为什么是64呢？

我们看ptr的指针是指向E67C的，E678是5，我们连蒙带猜的把这个整型空间算在ptr里的话就算是指向一块64字节大小的空间。

没错，实际上对于new[]的时候，会多开辟一个整型空间用来存储对象个数。用途是：用来给delete[]使用，这也是delete[]的[]里不需要写析构对象个数的原因。

那么到这里我们就能明白为什么new/delete、new[]/delete[]要搭配使用了，因为如果使用new[]和delete，此时delete并不像deletep[]一样会释放指针-4的位置，那么就会导致开辟的空间部分释放，运行报错！

同理，malloc/free与new/delete最好也不要混着使用，老老实实配套使用就不会坑自己。

三.定位new

int main()
{//以下这两句组合相当于: Stack* p1 = new Stack(10);//1.开辟空间Stack* p1 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));//2.调用构造  定位new：显示调用构造函数的方法new(p1)Stack(10);//以下两句组合等同于：delete p1;//3.清理资源 C++中可以显示调用析构函数p1->~Stack();//4.释放空间operator delete(p1);return 0;
}

定位new的使用是：new(指针)类型(初始化列表)这样，就可以显示调用构造函数了，在内存池技术中发挥用武之地。

以上就是C++中的内存管理学习，我们接着往下进入模板的学习！

四.模板

4.1函数模板

在生活中，处处有模板的身影，比如语文答题模板、活字印刷技术等等很多。模板的出现，让相似的问题得以快速的解决，在计算机中，也有模板的身影：

//这两个交换函数除了类型以外，没有任何不同
void Swap(int& left, int& right)
{int tmp = left;left = right;right = tmp;
}void Swap(double& left, double& right)
{double tmp = left;left = right;right = tmp;
}

对于这种只有类型不同，逻辑一样的函数需要写两个函数，祖师爷早就看不惯了：

//函数模板
template<typename T>
void Swap(T& left, T& right)
{//模板参数TT tmp = left;left = right;right = tmp;
}int main()
{int a = 10, b = 20;double c = 1.1, d = 2.2;Swap(a, b);Swap(c, d);return 0;
}

模板参数T指的是类型，使用tmplate<typename 类型名>类型名可以任意起，因为是定义类型的，博主的习惯是取为T(type)。那么这个模板有什么用？请看下面代码：

从上图看出不管是int还是double调用，调试的时候都是进入函数模板，表面上看起来像走了模板函数一样。

但实际上Swap(a,b)的时候，函数模板通过实参的类型，编译器推断模板参数T是int，然后编译器生成了一份整型交换的Swap函数并调用，这就是函数模板的参数推演。

所以Swap(a,b)和Swap(c,d)调用的不是同一个函数（它们地址不同），是调用编译器确定的函数参数T照函数模板生成的那份函数代码。

可以使用多个模板参数，多个模板参数的定义和多个函数参数的的定义是一样的，typename和class可以互换，博主习惯使用class。举个例子就是下面的代码：

template<class T1, class T2>

4.2调用选择

当模板和现有的函数存在时，如果现有的函数是合适的，那么就不会调用编译器通过模板生成的，而是调用现成的。

没有现成的函数就让编译器通过模板生成一个，调用生成的函数。此外，如果没有函数模板，能通过隐式类型转换符合参数类型的现成函数可以凑合被调用。

以上就是编译器根据函数模板生成的与现成函数的调取情况，可能不同编译器的具体情况不太一样，博主使用的是VS2019。

前面编译器根据实参推演生成的函数都是被动的，我们可以主动给模板参数类型，让编译器生成对应的函数，下面请看显示实例化：

这种函数的参数与模板参数没有关系或者函数没有参数的，就不能通过传递实参让编译器根据实参的类型，推演生成对应类型的函数代码，而要程序员自己实例化。

以上是实例化的方式，也就是语法规则，记住就好了。

4.3类模板

类模板是用来对只有类型不同的代码简化方法，请看下面代码：

template<class T>
class Stack
{
public:Stack(int capacity = 4){_a = new T[capacity];_top = 0;_capacity = capacity;}~Stack(){delete[] _a;_a = nullptr;_top = 0;_capacity = 0;}
private:T* _a;int _top;int _capacity;
};int main()
{Stack<int> st1;//整型栈Stack<double> st2;//double类型栈return 0;
}

当我们定义了一个栈的类模板后，对于存储不同数据类型的栈不再需要写两份（只有数据类型不同）代码了，通过显示类模板实例化，让编译器为我们生成即可！

4.4声明定义分离

template<class T>
class Stack
{
public://Stack是类名，构造函数是和类名相同的Stack(int capacity = 4);~Stack(){delete[] _a;_a = nullptr;_top = 0;_capacity = 0;}
private:T* _a;int _top;int _capacity;
};//声明定义分离的时候，模板参数要跟上
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
{_a = new T[capacity];_top = 0;_capacity = capacity;
}int main()
{//它们是同一个类模板实例化出来的栈，但不是同一个类型Stack<int> st1;//Stack<int>是一个类型 存放整型的栈Stack<double> st2;//Stack<double>是另一类型 存放double的栈return 0;
}

类模板中，声明和定义分离，定义指明类型（Stack<T>）这是因为模板参数T在成员函数中是有作用的，即使在某些成员函数中没有使用到T，也需要加上，不能单靠Stack::。

ok，以上就是C++中内存管理和模板的知识学习，希望读者读完有所收获。