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C++初阶—CC++内存管理

news 来源：原创 2025/7/13 8:05:38

第一章：C/C++内存分布

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test() {static int staticVar = 1;int localVar = 1;int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };char char2[] = "abcd";const char* pChar3 = "abcd";int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);free(ptr1);free(ptr3);
}
//1. 选择题：
//选项 : A.栈  B.堆  C.数据段(静态区)  D.代码段(常量区)
//globalVar在哪里？C 		staticGlobalVar在哪里？C
//staticVar在哪里？C  	localVar在哪里？A
//num1 在哪里？A
//
//char2在哪里？A			*char2在哪里？A   char2是数组，它把常量区的abcd\0拷贝到数组中
//pChar3在哪里？A		*pChar3在哪里？D  pChar3是指针，指向常量区的数据
//ptr1在哪里？A			*ptr1在哪里？B//2. 填空题：
//sizeof(num1) = 40;
//sizeof(char2) = 5;      	strlen(char2) = 4;
//sizeof(pChar3) = 4/8;     strlen(pChar3) = 4;
//sizeof(ptr1) = 4/8;

【说明】

栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下）
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段--存储全局数据和静态数据。
代码段--可执行的代码/只读常量

第二章：C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free

void Test() {int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);// 这里需要free(p2)吗？不需要//如果是原地扩容，那么p3等于p2；如果是异地扩容，会把p2的内容拷贝过来并释放p2free(p3);
}

【面试题】

malloc/calloc/realloc的区别？

malloc 用于分配一块指定大小的内存，但不会初始化这块内存。
calloc 不仅分配内存，还会初始化内存为 0。
realloc 用于重新调整先前分配的内存块的大小。它可以增大或减小已分配内存的大小，且会尝试保持原内存中的数据。

第三章：C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

3.1 new/delete操作内置类型

int main() {// 单个对象的比较int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));//C++兼容C语言，内置类型的动态申请，用法简化了，功能保持一致//自动计算大小，不需要强制类型转换int* p2 = new int;//多个对象的比较int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);int* p4 = new int[10];//C语言释放方式free(p1);free(p3);//C++释放方式delete p2;delete[] p4;//C++额外支持开空间+初始化int* p5 = new int(1);int* p6 = new int[10]{ 1,2,3 };//只初始化了前三个元素，剩余是0int* p7 = new int[10]{};//所有元素默认是0return 0;
}

注意：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[]，注意：匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

class A {
public:A(int a = 0): _a(a) {cout << "A():" << this << endl;}~A() {cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};int main() {//malloc没有办法很好支持动态申请的自定义对象初始化//构造函数是实例化对象的时候自动调用，现阶段无法显示调用A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//new主要针对自定义类型设计//对于自定义类型，开空间+调用构造函数初始化A* p2 = new A;A* p3 = new A(3);//支持传参//对于自定义类型，调用析构函数+释放空间delete p2;delete p3;//多个对象A* p4 = new A[10];delete[] p4;//new多个对象并初始化//1.有名对象A aa1(1);A aa2(2);A* p5 = new A[10]{ aa1, aa2 };delete[] p5;//2.匿名对象A* p6 = new A[10]{ A(1), A(2) };delete[] p6;//3.隐式类型转换A* p7 = new A[10]{ 1,2 };delete[] p7;return 0;
}

链表示例

//C++的struct升级成类，所以struct名字也可以当作是类名
struct ListNode {ListNode* _next;int _val;ListNode(int val = 0):_val(0), _next(nullptr) {	}
};int main() {ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);ListNode* n4 = new ListNode(4);ListNode* n5 = new ListNode(5);n1->_next = n2;n2->_next = n3;n3->_next = n4;n4->_next = n5;n5->_next = nullptr;return 0;
}

栈示例

//不能这么返回，因为这里的st出了函数作用域就销毁了。
Stack* func() {int n;cin >> n;Stack st(n);return &st;
}//这种方式又要调用拷贝构造
Stack func() {int n;cin >> n;Stack st(n);return st;
}Stack* func() {int n;cin >> n;Stack* pst = new Stack(n);return pst;
}int main() {Stack* ptr = func();ptr->Push(1);ptr->Push(2);//....delete ptr;//上面例子中的new和delete不能换成malloc和free//因为malloc没有初始化（创建好栈对象就不能再初始化），而free没有调用析构函数，就没有释放资源return 0;
}

第四章：operator new与operator delete函数

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，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。

operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的

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。

演示抛异常

int main() {//char* p1 = new char[1000000000];//10亿字节约等于1GB，依然能开辟//cout << p1 << endl;其他指针都是按指针去打印，char*可以是字符串字符串要遇到/0才停止，由于没有初始化，所以死循环打印要打印char*就需要强转//cout << (void*)p1 << endl;try {char* p2 = new char[0x7fffffff];cout << "hello world" << endl;//上方出异常后，不会执行这行代码，直接跳转catch//如果try里面没有异常，执行完try就不再走catch}catch (const exception& e) {cout << e.what() << endl;}//通过上方捕获异常的方式获取错误信息：bad allocationreturn 0;
}

第五章：new和delete的实现原理

5.1 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。

5.2 自定义类型

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

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

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

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

//operator new和malloc的功能是一样的
int main() {Stack* ptr = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));//只开辟了空间，没有调用构造函数//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。//为什么 operator new 封装 malloc 并在分配失败时抛出异常？//operator new封装malloc为new准备的，如果new直接调用malloc，申请失败会返回0不符合要求。//C++ 鼓励使用异常机制来处理错误，而不是依赖返回值来指示错误。在 C++ 中，//异常被认为是一种更合适的错误处理方式，它让程序员能够集中处理错误，保持代码的清晰性和简洁性。//malloc 的做法：当 malloc 失败时，返回 nullptr，这要求程序员在每次调用 malloc 后都要显式检查返回值。//否则，如果程序未能检查返回值而继续使用 nullptr，就可能发生内存访问错误（例如崩溃或不稳定）。//operator new 的做法：operator new 在分配内存失败时抛出异常（std::bad_alloc）。//这种做法不需要显式检查返回值，程序员只需要在适当的位置捕获异常来处理内存分配失败的情况。//异常的方式更符合 C++ 风格，因为它可以将错误处理和正常逻辑分开，使代码更具可读性。return 0;
}

操作符匹配问题

示例1

int main() {int* p1 = new int[10];//free(p1);delete p1;//上面2种方法都可以，不使用delete[]不会造成内存泄露，//因为内置类型不需要调用构造函数，所以也不需要调用析构函数return 0;
}

示例2

class A {
public:A(int a = 0):_a1(0){}private:int _a1;
};int main() {A* p2 = new A[10];//free(p2);//无报错//delete p2;//无报错//编译器优化了，因为自动生成的析构函数发现没有需要释放的资源，所以没有调用析构函数return 0;
}

示例3

class A {
public:A(int a = 0):_a1(0){}~A() {cout << "~A()" << endl;}private:int _a1;
};int main() {A* p2 = new A[10];//free(p2);//报错//delete p2;//报错delete[] p2;//结论：匹配使用//new A[10] 开辟了10个整型（每个4字节），并且在这段空间前面还额外申请4字节存了数字10。//因为delete[]要调用析构函函数，但不知道需要调用几次，所以需要上面的数字10。//delete[]不仅可以释放10个整型，还需要释放前面的4字节。//但p2指针指向的是10个整型的起始位置，如果不使用delete[]那么释放的位置就不对，所以报错。return 0;
}

第六章：定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。

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

使用场景：
定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。

int main() {//下方功能等价于newStack* pst1 = (Stack*)operator new(sizeof(Stack));//pst1->Stack(4);//不支持new(pst1)Stack(4);//显示调用构造函数//下方功能等价于deletepst1->~Stack();operator delete(pst1);//但实践中一般不会这么使用，主要应用场景是为内存池准备//即提前开辟一块内存作为备用，而不是需要才去申请return 0;
}

第七章：常见面试题

7.1 malloc/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：

malloc和free是函数，new和delete是操作符
malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
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
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
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
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

作业

1. 以下代码中，A 的构造函数和析构函数分别执行了几次：( )

A*pa=new A[10];
delete []pa;

A.1、1
B.10、10
C.1、10
D.10、1

答案：B
A.申请数组空间，构造函数调用的次数就是数组的大小
B.正确
C.申请数组空间，构造函数调用的次数就是数组的大小
D.如果释放数组空间，delete使用了[]，则会对应的调用数组大小次数的析构函数

2. 使用 char* p = new char[100]申请一段内存，然后使用delete p释放，有什么问题？( )

A.会有内存泄露
B.不会有内存泄露，但不建议用
C.编译就会报错，必须使用delete []p
D.编译没问题，运行会直接崩溃

答案：B
A.对于内置类型，此时delete就相当于free，因此不会造成内存泄漏
B.正确
C.编译不会报错，建议针对数组释放使用delete[],如果是自定义类型，不使用方括号就会运行时错误
D.对于内置类型，程序不会崩溃，但不建议这样使用

3. 设已经有A,B,C,D4个类的定义，程序中A,B,C,D析构函数调用顺序为（）

C c;
void main(){A*pa=new A();B b;static D d;delete pa;
}

A.A B C D
B.A B D C
C.A C D B
D.A C B D

答案：B
分析:首先手动释放pa，所以会先调用A的析构函数，其次会跟定义相反的顺序释放局部对象，这里只有b，就释放b，再释放静态局部对象d，再释放全局对象c

4. 下面有关malloc和new，说法错误的是？ ( )

A.new 是创建一个对象(先分配空间，再调构造函数初始化)， malloc分配的是一块内存
B.new 初始化对象，调用对象的构造函数，对应的delete调用相应的析构函数，malloc仅仅分配内存，free仅仅回收内存
C.new和malloc都是保留字，不需要头文件支持
D.new和malloc都可用于申请动态内存，new是一个操作符，malloc是是一个函数

答案：C
A.new会申请空间，同时调用构造函数初始化对象，malloc只做一件事就是申请空间
B.new/delete与malloc/free最大区别就在于是否会调用构造函数与析构函数
C.需要头文件malloc.h,只是平时这个头文件已经被其他头文件所包含了，用的时候很少单独引入，故错误
D.new是操作符，malloc是函数

5. 函数参数使用的空间是在（）中申请的，malloc或new是在（）中申请空间的？（）

A.堆，栈
B.栈，堆
C.栈，栈
D.堆，堆

答案：B
A.参数在栈空间存放，malloc或new申请的空间为堆区
B.正确
C.参数在栈空间存放，malloc或new申请的空间为堆区
D.参数在栈空间存放，malloc或new申请的空间为堆区

6. c++语言中，类ClassA的构造函数和析构函数的执行次数分别为( )

ClassA *pclassa=new ClassA[5];
delete pclassa;

A.5,1
B.1,1
C.5,5
D.程序可能崩溃

答案：D
A.申请对象数组，会调用构造函数5次，delete由于没有使用[]，此时只会调用一次析构函数，但往往会引发程序崩溃
B.构造函数会调用5次
C.析构函数此时只会调用1次，要想完整释放数组空间，需要使用[]
D.正确

7. C++中关于堆和栈的说法，哪个是错误的:( )

A.堆的大小仅受操作系统的限制，栈的大小一般较小
B.在堆上频繁的调用new/delete容易产生内存碎片，栈没有这个问题
C.堆和栈都可以静态分配
D.堆和栈都可以动态分配

答案：C
A.堆大小受限于操作系统，而栈空间一般有系统直接分配
B.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题
C.堆无法静态分配，只能动态分配
D.栈可以通过函数_alloca进行动态分配，不过注意，所分配空间不能通过free或delete进行释放

8. 下面有关c++内存分配堆栈说法错误的是( )

A.对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制
B. 对于栈来讲，生长方向是向下的，也就是向着内存地址减小的方向；对于堆来讲，它的生长方向是向上的，是向着内存地址增加的方向增长
C.对于堆来讲，频繁的 new/delete 势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题
D.一般来讲在 32 位系统下，堆内存可以达到4G的空间，但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的

答案：D
A.栈区主要存在局部变量和函数参数，其空间的管理由编译器自动完成，无需手动控制，堆区是自己申请的空间，在不需要时需要手动释放
B.栈区先定义的变量放到栈底，地址高，后定义的变量放到栈顶，地址低，因此是向下生长的，堆区则相反
C.频繁的申请空间和释放空间，容易造成内存碎片，甚至内存泄漏，栈区由于是自动管理，不存在此问题
D.32位系统下，最大的访问内存空间为4G,所以不可能把所有的内存空间当做堆内存使用，故错误