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C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

news 来源：原创 2025/8/18 1:52:12

C++从入门到实战（十二）详细讲解C++如何实现内存管理

  • 前言
  • 一、C++内存管理方式
    • 1. new/delete操作内置类型
    • 2. 异常与内存管理的联系（简单了解）
    • 3. new和delete操作自定义类型
  • 二、 operator new与operator delete函数（重点）
    • 1. new和delete操作符与operator new和operator delete函数的关系
    • 2. operator new函数的工作原理
    • 3. operator delete函数的工作原理
  • 三、 定位new表达式(placement-new) （了解即可）
    • 1. 定位 new 表达式的概念
    • 2. 定位 new 表达式的使用格式
    • 3. 定位 new 表达式的使用场景
  • 四、malloc/free和new/delete的区别
    • 1. 相同点
    • 2. 不同点
      • 一个是函数，一个是操作符
      • new 会 “初始化”，malloc 不会
      • 空间大小：new 自动计算，malloc 要手动算
      • new 不用强转，malloc 需要
      • 错误处理：malloc 返 NULL，new 抛异常
      • 自定义类型：new/delete 会 “照顾” 对象，malloc/free 不会

前言

  • 在上一篇博客中，我们探讨了 C/C++ 语言的内存分布模型，并对比了 C 与 C++ 内存管理的核心差异，初步认识了 C++ 中new与delete的基本概念，为理解 C++ 内存管理体系奠定了基础。
  • 本文将在此基础上，深入解析 C++ 内存管理的核心机制，从底层原理到实践细节展开系统讲解，帮助读者全面掌握这一重要知识模块。

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一、C++内存管理方式

1. new/delete操作内置类型

  • 在 C 语言里有它自己的内存管理办法，但用起来比较麻烦，而且有些情况处理不了。
  • C++ 为了解决这些问题，引入了new和delete操作符来进行动态内存管理。
#include <iostream>using namespace std;
void Test()
{int* ptr4 = new int;// 动态申请一个int类型的空间int* ptr5 = new int(10);//动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr6 = new int[3];//动态申请3个int类型的空间delete ptr4;delete ptr5;//delete ptr6;//错误在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：//如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：//内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。//未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等delete[] ptr6;
}
  • 在 C++ 中，new 和 delete、new[] 和 delete[] 是成对出现的操作符，它们的使用需要遵循特定的配对规则：
  • 如果使用 delete 而非 delete[] 来释放通过 new[] 分配的数组内存，会产生严重的后果：例如上面代码中的int* ptr6 = new int[3]与delete ptr6

内存泄漏：delete 只会释放数组首元素的内存，而不会释放数组中其他元素的内存，这就导致了部分内存无法被回收，造成内存泄漏。
未定义行为：使用 delete 释放数组内存属于未定义行为，这意味着程序可能会出现各种不可预测的问题，比如程序崩溃、数据损坏等

在这里插入图片描述

2. 异常与内存管理的联系（简单了解）

  • 在使用new申请内存时，如果系统没有足够的内存可供分配，就可能会抛出异常。
  • 所以在进行内存管理时，要考虑到这种可能出现的异常情况，确保程序的健壮性。
#include <iostream>
using namespace std;void Test() {try {// 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 3 个 int 类型的空间int* ptr6 = new int[3];// 使用分配的内存*ptr4 = 5;cout << "Value of ptr4: " << *ptr4 << endl;cout << "Value of ptr5: " << *ptr5 << endl;for (int i = 0; i < 3; ++i) {ptr6[i] = i;cout << "Value of ptr6[" << i << "]: " << ptr6[i] << endl;}// 释放内存delete ptr4;delete ptr5;delete[] ptr6;} catch (const bad_alloc& e) {// 捕获内存分配失败的异常cerr << "Memory allocation failed: " << e.what() << endl;}
}int main() {Test();return 0;
}

在这里插入图片描述

#include <iostream>
using namespace std;void Func()
{int i = 1;while (1){int* p1 = new int[1024 * 1024];cout << i << "->" << p1 << endl;i++;}
}int main()
{try{Func();}catch (const std::exception& e){cout << e.what() << endl;}
}

在这里插入图片描述

  • 这段代码定义了一个名为 Func 的函数，该函数在一个无限循环中不断尝试分配大约1MB的内存。
  • 由于没有适当的内存释放，这将最终导致内存耗尽，从而抛出 std::bad_alloc 异常。
  • 在 main 函数中， Func 被调用并被包裹在一个 try-catch 块中，以捕获并处理可能抛出的异常。

然而，由于 std::bad_alloc 异常没有被直接捕获（ catch 块中捕获的是 std::exception 的引用），所以实际上这段代码可能不会按预期工作，因为 std::bad_alloc 可能在到达 catch 块之前就已经导致程序终止

3. new和delete操作自定义类型

  • 在 C++ 里，new 和 delete 除了能操作基本数据类型，还可以操作自定义类型。

自定义类型是程序员自己定义的类型，像类、结构体等.

  • 以下是new 和 delete 操作基本数据类型的简单代码
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:Person(const char* _name,int _age){name = _name;age = _age;cout << "Person 构造函数被调用，名字: " << name << ", 年龄: " << age;};~Person(){cout << "Person 析构函数被调用: " << name << ", 年龄: " << age;}private:const char *  name;//一个指向常量字符的指针类型int age;};
int main() {// 使用 new 创建 Person 对象Person* person = new Person("Alice", 25);// 使用 delete 释放对象内存delete person;return 0;
}

在这里插入图片描述

这段代码定义了一个 Person 类，包含姓名和年龄两个属性，还有构造函数和析构函数。在 main 函数里，使用 new 操作符创建一个 Person 对象，然后使用 delete 操作符释放对象的内存。

二、 operator new与operator delete函数（重点）

1. new和delete操作符与operator new和operator delete函数的关系

  • 前面我们讲到new和delete是用来动态申请和释放内存的操作符。比如，你想创建一个int类型的变量，就可以用new操作符来申请内存：
int* ptr = new int;

  • 这里的new操作符在底层会调用operator new全局函数来申请内存空间
    在这里插入图片描述

  • 当你不再需要这块内存时，就得用delete操作符释放它：

delete ptr;

delete操作符在底层会调用operator delete全局函数来释放内存空间
在这里插入图片描述

2. operator new函数的工作原理

  • operator new函数的作用是申请内存空间，它实际上是借助malloc函数来实现的。

下面是它的工作步骤：

  • 尝试申请内存：调用malloc函数去申请指定大小的内存空间。
  • 检查申请结果：
    • 成功：若malloc申请内存成功，就直接返回这块内存的指针。
    • 失败：若malloc申请内存失败，会尝试执行用户设置的空间不足应对措施。
    • 用户设置了应对措施：继续尝试申请内存。
    • 用户未设置应对措施：抛出std::bad_alloc类型的异常

下面是operator new函数的简化代码：

void *operator new(size_t size) {void *p;while ((p = malloc(size)) == 0) {if (用户设置的应对措施函数(size) == 0) {// 申请内存失败，抛出异常static const std::bad_alloc nomem;throw nomem;}}return p;
}

3. operator delete函数的工作原理

  • operator delete函数的作用是释放内存空间，它最终是通过free函数来实现的。

下面是它的工作步骤：

  • 检查指针是否为空：若传入的指针为空，直接返回，不做任何操作。
  • 释放内存：调用free函数释放这块内存空间。

下面是operator delete函数的简化代码：

void operator delete(void *pUserData) {if (pUserData == NULL)return;free(pUserData);
}
  • new操作符在底层调用operator new函数来申请内存空间，operator new函数又借助malloc函数来申请内存。
  • delete操作符在底层调用operator delete函数来释放内存空间，operator delete函数最终通过free函数来释放内存。
  • 若malloc申请内存失败，operator new函数会尝试执行用户设置的应对措施，若没有设置则抛异常

三、 定位new表达式(placement-new) （了解即可）

1. 定位 new 表达式的概念

一般而言，使用new操作符时，它会做两件事：

  • 一是为对象分配内存；二是调用对象的构造函数来初始化这块内存。
  • 而定位 new 表达式有所不同，它是在已经分配好的原始内存空间里调用构造函数来初始化对象。

2. 定位 new 表达式的使用格式

在C++中，定位 new 的语法如下

new (address) Type

在address指向的内存空间创建一个type类型的对象

new (address) Type[size]

  • 在address指向的内存空间创建一个type类型的对象，并且用size里的值来初始化对象。

  • 这里的address得是一个指针，size是类型的初始化列表

3. 定位 new 表达式的使用场景

  • 在实际运用中，定位 new 表达式通常和内存池配合使用。
  • 内存池分配的内存并未初始化，要是分配的是自定义类型的对象，就得使用定位 new 表达式来显式调用构造函数进行初始化
#include <iostream>int main() {// 分配一块原始内存char* rawMemory = new char[sizeof(int)];// 使用定位new在原始内存上构造一个int对象int* intPtr = new (rawMemory) int(42);// 输出构造的int对象的值std::cout << "Value of int object: " << *intPtr << std::endl;// 显式调用析构函数（对于基本类型，这一步不是必需的，但对于自定义类型是必需的）intPtr->~int();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return 0;
}

#include <iostream>class MyClass {
public:MyClass(int value) : data(value) {std::cout << "Constructor called with value: " << data << std::endl;}~MyClass() {std::cout << "Destructor called for value: " << data << std::endl;}
private:int data;
};int main() {// 分配一块原始内存char* rawMemory = new char[sizeof(MyClass)];// 使用定位new在原始内存上构造一个MyClass对象MyClass* myObjPtr = new (rawMemory) MyClass(10);// 显式调用析构函数myObjPtr->~MyClass();// 释放原始内存delete[] rawMemory;return 0;
}

四、malloc/free和new/delete的区别

1. 相同点

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。

  • 不过，他们的不同点是

2. 不同点

一个是函数，一个是操作符

  • malloc/free 是 C 语言的库函数：需要包含头文件 <stdlib.h>，用函数的方式调用（比如 malloc(size)）。
  • new/delete 是 C++ 的操作符：是 C++ 语言内置的功能，用法更简洁（比如 new int）

new 会 “初始化”，malloc 不会

malloc 申请的内存是 “脏的”：里面可能是随机的垃圾值。比如：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));  // *p 的值不确定，可能是任意数
  • new 申请的内存会被 “初始化”：
    • 对内置类型（如 int、double），new int 不会初始化，但 new int() 会初始化为 0；
    • 对自定义类型（如类），new 会自动调用构造函数，完成对象的初始化（比如给成员变量赋值）。

空间大小：new 自动计算，malloc 要手动算

  • malloc 需要自己算大小：必须用 sizeof 计算需要的字节数，比如申请 5 个 int 的空间：
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 手动算 5*4=20 字节
  • 如果算错（比如漏掉 sizeof 或乘错数），就会出 bug
  • new 自动知道要多大：直接写类型和数量即可，比如：
int* p = new int[5];  // 自动申请 5 个 int 的空间，不用算字节数

new 不用强转，malloc 需要

malloc 返回 void* 指针：使用时必须强制转换类型，比如：

int* p = (int*)malloc(sizeof(int));  // 必须强转成 int*

new 直接返回对应类型的指针：比如 new int 直接返回 int*，不需要强转：

int* p = new int;  // 直接是 int* 类型，不用强转

错误处理：malloc 返 NULL，new 抛异常

  • malloc 申请失败返回 NULL：必须检查是否为 NULL，否则解引用（比如 *p）会导致程序崩溃：
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
if (p == NULL) {  // 必须判空！// 处理内存不足的情况
}
  • new 申请失败会抛出异常：默认会抛出 std::bad_alloc 异常，需要用 try-catch 捕获（或者用 new(nothrow) 版本返回 NULL，但不常用）：
try {int* p = new int;  // 失败会抛异常，不会返回 NULL
} catch (std::bad_alloc& e) {// 处理异常
}

自定义类型：new/delete 会 “照顾” 对象，malloc/free 不会

malloc/free 只负责搬砖：

  • malloc 只会分配一块足够大的内存，但不会调用类的 构造函数（比如初始化成员变量）；
  • free 只会释放内存，但不会调用类的 析构函数（比如释放对象内部申请的资源）。
    这样会导致对象没被正确初始化或清理，造成错误或内存泄漏。

new/delete 会 “盖房子” 和 “拆房子”：

  • new 分配内存后，会自动调用类的构造函数，初始化对象（比如给成员变量赋值）；
  • delete 释放内存前，会自动调用类的析构函数，清理对象内部的资源（比如释放成员指针指向的内存）。

以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索C++中模板初阶更多精彩内容。

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编程日记 2025/8/16 15:28:23

powershell批处理——io校验

powershell批处理——io校验 在刷题时&#xff0c;时常回想&#xff0c;OJ平台是如何校验竞赛队员提交的代码的&#xff0c;OJ平台并不看代码&#xff0c;而是使用“黑盒测试”&#xff0c;用测试数据来验证。对于每题&#xff0c;都事先设定了很多组输入数据&#xff08;data…...

编程日记 2025/8/16 15:28:10

AI——认知建模工具：ACT-R

ACT-R&#xff08;Adaptive Control of Thought—Rational&#xff09;是一种用于模拟人类认知过程的计算架构&#xff0c;广泛应用于心理学、认知科学和人工智能研究。它通过模块化的方式模拟记忆、注意力、学习、决策等认知机制。以下是ACT-R的核心概念、安装方法、基础语法及…...

编程日记 2025/8/17 15:54:59

Docker 容器镜像环境的依赖导出

#工作记录 如果我们想获取 Docker 容器中已有镜像的所有的依赖包信息&#xff0c;包括其他可能的系统依赖&#xff0c;用于在其他环境&#xff08;如 WSL 或 Windows&#xff09;中重新搭建相同的运行环境。 以下是完整的步骤&#xff1a; 1. 导出 Python 依赖&#xff08;r…...

编程日记 2025/8/16 19:23:29

[ubuntu]fatal error: Eigen/Core: No such file or directory

确认是否安装了eigen3sudo apt-get install libeigen3-dev 解决 fatal error: Eigen/Core: No such file or directory 如果已经安装&#xff0c;但当调用 eigen 库时&#xff0c;报错&#xff1a;fatal error: Eigen/Core: No such file or directory 这是因为 eigen 库默认…...

编程日记 2025/8/16 15:28:05

《硬件视界》专栏介绍（持续更新ing）

名人说&#xff1a;路漫漫其修远兮&#xff0c;吾将上下而求索。 —— 屈原《离骚》 创作者&#xff1a;Code_流苏(CSDN)&#xff08;一个喜欢古诗词和编程的Coder&#x1f60a;&#xff09; 目录 ✨ 专栏简介&#x1f4da; 当前专栏目录&#xff08;持续更新中&#xff09;&a…...

编程日记 2025/8/16 15:28:03

TypeScript类型挑战-刷题

TypeScript类型挑战 vscode刷题 vscode 插件 热身题 // Test Cases import type { Equal, Expect, NotAny } from "./test-utils";type cases [Expect<NotAny<HelloWorld>>, Expect<Equal<HelloWorld, string>>];// Your Code Here …...

编程日记 2025/8/16 15:28:01

Java后端开发day43--IO流（三）--缓冲流转换流序列化流

&#xff08;以下内容全部来自上述课程&#xff09; 缓冲流 1. 字节缓冲流 原理&#xff1a;底层自带了长度为8192的缓冲区提高性能 1.1拷贝文件&#xff08;一次读写一个字节&#xff09; //1.创建缓冲流的对象 BufferedInputStream bis new BufferedInputStream(new Fi…...

编程日记 2025/8/17 8:28:28

Nginx性能调优与深度监控

一&#xff1a;Nginx性能调优 1.更改进程数和连接数 &#xff08;1&#xff09;进程数 在高并发环境中&#xff0c;需要启动更多的Nginx进程以保证快速响应&#xff0c;用以处理用户的请求&#xff0c;避免造成阻塞。使用psaux命令查看Nginx运行进程的个数。从命令执行结果可…...

编程日记 2025/8/16 15:27:59

【LeetCode】高频 SQL 50题 题解

目录 查询 可回收且低脂的产品 寻找用户推荐人 大的国家 文章浏览 I 无效的推文 连接 使用唯一标识码替换员工ID 产品销售分析 I 进店却未进行过交易的顾客 上升的温度 每台机器的进程平均运行时间 员工奖金 学生们参加各科测试的次数 至少有5名直接下属的经理 …...

编程日记 2025/8/16 15:27:58

基于Qt的app开发第六天

写在前面 博主是一个大一下的计科生&#xff0c;现在正在做C面向对象程序设计的课程设计&#xff0c;具体功能可以看本专栏的第一篇博客。 目前的进度是&#xff1a;配好MySQL驱动->设计完界面->实现各个界面的切换 这一篇博主要初步实现待办板块的功能&#xff0c;即新建…...

编程日记 2025/8/16 15:27:56

剑指大规模 AI 可观测，阿里云 Prometheus 2.0 应运而生

作者&#xff1a;曾庆国&#xff08;悦达&#xff09; Prometheus 大家应该非常熟悉&#xff0c;正文开始前&#xff0c;让我们一起来回顾开源 Prometheus 项目的发展史。Prometheus 最初由 SoundCloud 的工程师 Bjrn Rabehl 和 Julius Volz 于 2012 年开发。当时&#xff0c;…...

编程日记 2025/8/16 15:27:54

阿里云2核2g安装nexus

阿里云2核2g安装nexus # 安装 JDK 1.8 sudo yum install -y java-1.8.0-openjdk-devel# 验证安装 java -version创建运行用户 cd /opt sudo wget https://download.sonatype.com/nexus/3/latest-unix.tar.gz sudo tar -xzf latest-unix.tar.gz sudo mv nexus-3* nexussudo us…...

编程日记 2025/8/16 15:27:52

eFish-SBC-RK3576工控板USB HOST接口USB3.0测试操作指南

本小节特指丝印号为J8的USB HOST接口&#xff0c;本开发板只有两个USB3.0接口&#xff0c;无USB2.0 这里接U盘测试。 在不接入任何USB外设的情况下&#xff0c;先查看/dev目录下是否存在/dev/sd*设备&#xff0c;执行命令&#xff1a; $ ls /dev/sd* 如下图所示&#xff1a; …...

编程日记 2025/8/16 9:23:26

嵌入式软件学习指南：从入门到进阶

嵌入式软件是物联网&#xff08;IoT&#xff09;、汽车电子、智能家居等领域的核心技术之一。它涉及硬件与软件的紧密结合&#xff0c;要求开发者不仅会写代码&#xff0c;还要理解底层硬件的工作原理。本文将带你系统了解嵌入式软件的学习路径、核心知识体系及实用资源推荐。 …...

编程日记 2025/8/16 13:42:24

【论文阅读】Adversarial Training Towards Robust Multimedia Recommender System

Adversarial Training Towards Robust Multimedia Recommender System 题目翻译&#xff1a;面向鲁棒多媒体推荐系统的对抗训练 论文链接&#xff1a;点这里 标签&#xff1a;多媒体推荐、对抗训练、推荐系统鲁棒性 摘要 随着多媒体内容在网络上的普及&#xff0c;迫切需要开…...

编程日记 2025/8/16 19:23:25

转换算子和行动算子的区别

转换算子会从一个已经存在的数据集 (RDD)中生成一个新的数据集 (RDD),比如map就是一个转换算子&#xff0c;它通过映射关系从一个RDD生成了一个新的RDD。 行动算子 (actions): 行动算子在进行数据集计算后会给driver程序返回一个值。 转换算子和行动算子最大的区别&#xff1…...

编程日记 2025/8/16 19:23:23

Selenium的driver.get_url 和 手动输入网址, 并点击的操作，有什么不同？

我在搞爬取的时候&#xff0c;发现有些网站直接用driver.get(url) 跳转到目标特定的网址的时候&#xff0c;会被强制跳转到其他的网址上&#xff0c;但是如果是自己手动&#xff0c;在网址栏那里输入网址&#xff0c;并点回车&#xff0c;却能完成跳转。 这是在使用 Selenium …...

编程日记 2025/8/16 19:23:21

【强化学习】强化学习算法 - 多臂老虎机问题

1、环境/问题介绍 概述&#xff1a;多臂老虎机问题是指&#xff1a;智能体在有限的试验回合 &#x1d447; 内&#xff0c;从 &#x1d43e; 台具有未知奖赏分布的“老虎机”中反复选择一个臂&#xff08;即拉杆&#xff09;&#xff0c;每次拉杆后获得随机奖励&#xff0c;目…...

编程日记 2025/8/17 9:05:21

Spring MVC Controller 方法的返回类型有哪些？

Spring MVC Controller 方法的返回类型非常灵活&#xff0c;可以根据不同的需求返回多种类型的值。Spring MVC 会根据返回值的类型和相关的注解来决定如何处理响应。 以下是一些常见的 Controller 方法返回类型&#xff1a; String: 最常见的类型之一&#xff0c;用于返回逻辑…...

编程日记 2025/8/16 9:43:49

Diamond iO：实用 iO 的第一缕曙光

1. 引言 当前以太坊基金会PSE的Machina iO团队宣布&#xff0c;其已经成功实现了 Diamond iO: A Straightforward Construction of Indistinguishability Obfuscation from Lattices —— 其在2025年2月提出的、结构简单的不可区分混淆&#xff08;iO&#xff09;构造&#xf…...

编程日记 2025/8/16 19:23:14