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【C/C++】内存管理_c++内存管理

网友: 技术文档 2025-07-30 11:52:54

内存管理

  • 一.C/C++内存分布
  • 二.C++内存管理方式
    • 1.new、delete操作内置类型
    • 2.new、delete操作自定义类型
    • 3.32位、64位机器的区别
  • 三.operator new与operator delete函数
  • 四.new和delete的实现原理
    • 1.内置类型
    • 2.自定义类型
      • 1.new的原理
      • 2.delete的原理
      • 3.new T[N]的原理
      • 4.delete[]的原理
  • 五.定位new表达式(placement-new)
  • 六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）

一.C/C++内存分布

【C/C++】内存管理_c++内存管理

总结：

  1. 栈（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。
  2. 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）
  3. 堆：用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
  4. 数据段：存储全局数据和静态数据。
  5. 代码段：可执行的代码/只读常量。

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

【C/C++】内存管理_c++内存管理

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二.C++内存管理方式

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

1.new、delete操作内置类型

#includeusing namespace std;int main(){//动态申请一个int类型的空间，未初始化int* p1 = new int;//动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* p2 = new int(10);//动态申请10个int类型的空间，未初始化int* ptr1 = new int[10];//动态申请10个int类型的空间，并初始化前5个，后面默认为0int* ptr2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};delete p1;delete p2;delete[] ptr1;delete[] ptr2;return 0;}

【C/C++】内存管理_c++内存管理

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。

2.new、delete操作自定义类型

#includeusing namespace std;struct ListNode{int val;ListNode* next;ListNode(int x):val(x),next(next){}~ListNode(){cout << \"~ListNode()\" << endl;}};int main(){//new对于自定义类型：调用构造函数ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);ListNode* n4 = new ListNode(4);n1->next = n2;n2->next = n3;n3->next = n4;n4->next = nullptr;//delete对于自定义类型：调用析构函数delete n1;delete n2;delete n3;delete n4;return 0;}
#includeusing namespace std;class A{public:A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){cout << \"A(int a1 = 0, int a2 = 0)\" << endl;}A(const A& a):_a1(a._a1), _a2(a._a2){cout << \"A(const A& a)\" << endl;}~A(){cout << \"~A()\" << endl;}private:int _a1 = 1;int _a2;};int main(){A* p1 = new A;A* p2 = new A(1, 2);//构造+拷贝构造：初始化3个自定义空间A aa1(1, 1);A aa2(2, 2);A aa3(3, 3);A* p3 = new A[3]{ aa1,aa2,aa3 };//构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数A* p4 = new A[3]{ A(1,1),A(2,2),A(3,3) }; //匿名对象//A aa1 = { 1,1 }; 多参数构造函数也支持隐式类型转换：构造+拷贝构造——>优化为：直接调用构造函数A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };//deletereturn 0;}

总结：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，但内置类型是几乎是一样的。

3.32位、64位机器的区别

32位的描述

#includeusing namespace std;int main(){//malloc申请空间失败，返回NULL指针//new申请空间失败会抛出异常，需要捕捉异常//throw try/catch 如下：try{int n = 1;while (1){// 1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024*1024*1024 Bytevoid* p1 = new char[1024 * 1024]; // 1 MB = 1024*1024 Bytecout << p1 << \"->\" << n << endl;++n;}}catch(const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;}

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三.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;}/*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。

四.new和delete的实现原理

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。

int main(){int* p = new int(10);//free(p);delete p;int* p1 = new int[10];// -> malloc+申请失败抛异常//free(p1);delete p1;//本质调用的就是free(p)，对于内置类型，不会内存泄漏//对于内置类型：delete与free互用都可行，但是不建议，C++还是推荐用new和delete}

2.自定义类型

1.new的原理

  1. 调用operator new函数申请空间，失败了抛异常。
  2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的初始化。

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。

#includeusing namespace std;class A{public: A(int a, int* ptr) : _a(a) , _ptr(ptr) {} ~A() { delete _ptr;//释放_ptr指向的数据，防止内存泄漏 cout << \"~A():\" << this << endl; }private: int _a; int* _ptr;};int main(){ A* p1 = new A(1, new int(2)); //free(p1); 不会调用析构函数，导致内存泄漏 delete p1; //调用析构函数，防止内存泄漏 return 0;}

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。

#includeusing namespace std;class A{public:A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}~A(){}private:int _a1;int _a2;};class B{public:B(int b1 = 0, int b2 = 0):_b1(b1),_b2(b2){}private:int _b1;int _b2;};int main(){A* p1 = new A[10]; delete p1; //含有析构函数，程序崩溃B* p2 = new B[10]; delete p2; //不含析构函数，程序正常运行return 0;}

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总结：new与delete一定要匹配使用，不要错配，否则有程序崩溃的风险。

五.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（用operator new分盘空间）中调用构造函数初始化一个对象。

使用格式：

  1. new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)。
  2. place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表。
class A{public:A(int a = 0): _a(a){cout << \"A()：\" << this << endl;}~A(){cout << \"~A()：\" << this << endl;}private:int _a;};int main(){A* p1 = new A(1);//先开空间，再调用构造函数初始化p1delete p1;//先调用析构函数，再释放p1A* p2 = (A*)operator new (sizeof(A));//只开空间，未调用构造函数（相当于malloc）new(p2)A(1);//调用构造函数初始化p2，不能p2->A();p2->~A();//调用析构函数，可以直接显示调用operator delete(p2);//释放p2return 0;}

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。

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六.malloc/free和new/delete的区别（面试点）

  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。

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