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C++：内部类，匿名对象，操作符new与delete

news 来源：原创 2024/9/20 15:05:02

一.内部类

1.如果一个类定义在另一个类的内部，这个内部类就叫做内部类。内部类是一个独立的类，跟定义在全局相比，他只是受外部类类域限制和访问限定符限制，所以外部类定义的对象中不包含内部类。
2.内部类默认是外部类的友元类。
3.内部类本质也是一种封装，当A类跟B类紧密关联，A类实现出来主要就是给B类使用，那么可以考虑把A类设计为B的内部类，如果放到private/protected位置，那么A类就是B类的专属内部类，其他地方都用不了。

比如下面这个例子：

这两种写法效果是一样的，B此时就是A的内部类。

二.匿名对象

匿名对象当下的阶段可能没有太大的作用，但在模板之后便会有显著作用了，它的特点如下：

1.用类型(实参) 定义出来的对象叫做匿名对象，相比之前我们定义的类型对象名(实参) 定义出来的叫有名对象。
2.匿名对象生命周期只在当前一行，一般临时定义一个对象当前用一下即可，就可以定义匿名对象。

牛客网上的一道题如下：日期累加_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

这里就可以使用下匿名对象来解决这道题(虽然效果不是太明显了)

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;class Date {public:Date(): _year(2024),_month(9),_day(13) {int m = 0;int n = 0;cin >> m;while (m--) {cin >> _year >> _month >> _day >> n;*this += n;DatePrint(*this);}}int GetMonthDay() {assert(_month <= 12 || _month > 0);static int arr[13] = { -1, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };if (_month == 2 && ((_year % 4 == 0 && _year % 100 != 0) || _year % 400 == 0)) {return 29;}return arr[_month];}Date& operator-=(int i) {if (i < 0) {return *this += -i;}_day -= i;while (_day < 0) {_day += GetMonthDay();--_month;if (_month == 0) {--_year;_month = 12;}}return *this;}Date& operator+=(int i) {if (i < 0) {return *this -= -i;}_day += i;while (_day > GetMonthDay()) {_day -= GetMonthDay();++_month;if (_month == 13) {++_year;_month = 1;}}return *this;}void DatePrint(const Date& d) {if(d._month >= 10 && d._day >= 10)cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;else if(d._month < 10 && d._day >= 10)cout << d._year << "-" << 0 << d._month << "-" << d._day << endl;else if(d._month == 10 && d._day < 10)cout << d._year << "-" << d._month << "-" << 0 << d._day << endl;else if(d._month < 10 && d._day == 10)cout << d._year << "-" << 0 << d._month << "-" << d._day << endl;elsecout << d._year << "-" << 0 << d._month << "-" << 0 << d._day << endl;;}private:int _year;int _month;int _day;
};
int main() {Date();return 0;
}

我们可以直接通过匿名对象来调用其构造函数，直接完成所有函数的调用来实现这道题目(写的有些糅杂还请见谅)。

三.C/C++内存管理

3.1new与delete

我们在学习C的时候已经知道，通过使用malloc/realloc/calloc/free函数来管理我们开辟的动态内存。在C++中我们将介绍两个新的操作符new和delete来进行动态内存管理。基本使用方式如下：

void Test()
{// 动态申请一个int类型的空间int* ptr4 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr5 = new int(10);// 动态申请10个int类型的空间int* ptr6 = new int[3];delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;
}

申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用
new[]和delete[]，new与delete在处理内置类型时，与malloc/free别无差异，当开辟的是自定义类型时，new与delete会在开辟的时候调用自定义类的构造和析构函数，注意匹配起来使用，否则会出现未定义行为，比如我们用下面这个例子来解释：

char* p = new char[100];
delete p;

当你使用new[]来动态分配内存，如果你使用错误的delete(而不是delete[])来释放这段内存(如delete p),虽然它可能不会立即出现问题,但实际上是未定义行为。

在使用delete p来释放使用new[]分配的内存时，C++ 标准明确规定这是未定义行为。然而在实践中，对于简单类型如char、int等原始数据类型，由于它们没有复杂的构造函数和析构函数,delete没有明显的副作用。系统仅仅会释放内存空间，这与free的行为类似。

所以在使用内置类型这种简单的类型时，一般不会出现问题。一旦使用自定义类型时，编译器就会因无法正确处理所有对象的析构和内存释放而导致报错。

3.2operator new与operator delete

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，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过
operator delete全局函数来释放空间。

/*
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，如果改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 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);
}
/*
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_FINALLYreturn;
}

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new实际也是通过malloc来申请空间，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应对措施，如果用户提供该措施
就继续申请，否则就抛异常。operator delete最终是通过free来释放空间的。

3.3new和delete的实现原理

3.3.1内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，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在申
请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

3.3.2自定义类型

(1)new的原理
1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

(2)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

(3)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. 在申请的空间上执行N次构造函数

(4)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

3.4malloc/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
空间中资源的清理释放