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C/C++内存管理

news 来源：原创 2025/5/13 10:14:27

1. C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题

const int a（此时an存放在栈上）
char char2[] = "abcd"（此时是在栈上创建5个char类型大小的数组，并让用常量字符串来初始化数组内的内容，*char2就是数组第一个元素'a'）
cost char* pchar3 = "abcd"（此时const修饰是的char*，所以*pchar3不能被修改，而pchar3指向的是字符串常量区，所以*pchar3是在常量区的）

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。

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

void Test()
{// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);// 这里需要free(p2)吗？free(p3);
}

区别后面再说。

是不需要free(p2)的，因为p3所指向的空间就是p2扩展出来的空间(有可能是原地扩，也有可能是异地扩)，所以free(p3)就把空间也释放了，因此不在需要free(p2)，不过把p2置为NULL确是一个不错的编程习惯。

3. 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

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[10];delete ptr4;delete ptr5;//释放多对象空间是需要加[]的delete[] ptr6;
}

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

#include <stdlib.h>
#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};int main()
{// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于[自定义类型]除了开空间//还会调用构造函数和析构函数A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//这里和上面的写法其实是一样的，都是申请A大小的空间//只不过类中有默认构造那就会对开辟出来的空间进行初始化//这里new A(1)并不是new一个A类型的匿名对象大小的空间//而是new一个A大小的空间，然后传1来调用构造函数，从而对开辟出来的空间内的成员进行初始化A* p2 = new A(1);free(p1);//不析构delete p1;//析构//内置类型是几乎是一样的int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p4 = new int;free(p3);delete p4;A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);//new开辟出来空间后会调用默认构造进行初始化A* p6 = new A[10];free(p5);delete[] p6;return 0;
}

多对象的内置类型初始化和自定义类型初始化的区别：

1. 内置类型

2. 自定义类型

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

4. operator new与operator delete函数（重要点进行讲解）

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

/*
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

/*
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;
}/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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。（new失败了，抛异常，不需要在检查返回值了）

5. 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

调用operator new函数申请空间
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
operator new 先malloc后构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
调用operator delete函数释放对象的空间
operator delete 先析构后delete

new T[N]的原理

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
在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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
调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

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。

#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}private:int _a;
};// 定位new/replacement new
int main()
{// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A;  //注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A * p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}

使用operator new创建空间，不会多开4字节的空间来记录元素个数

#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0): _a(a){cout << "A():" << this << endl;}~A(){cout << "~A():" << this << endl;}
private:int _a;
};int main()
{A* p = (A*)operator new(sizeof(A));//p1->A(); // 不支持这样显示调用构造new(p)A(10);// 对已有空间，显示调用构造p->~A();free(p);A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A) * 10);//这种写法就不会多开4个字节来记录个数new(p1)A[10]{ 1,2,3,4 };//循环初始化方式for (int i = 0; i <= 10; i++){new(p1 + i)A(i);}//循环析构for (int i = 0; i <= 10; i++){(p1 + i)->~A();}delete p1;//或者 delete[] p1//上面这两种free空间的方法都可以return 0;
}

7. 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只需要在其后面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，不会调用构造函数和析构函数，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

8. 补充说明（为什么new自定义类型会多开四个字节的空间）

https://www.cnblogs.com/tp-16b/p/8684298.html