9.C++入门：内存管理|new|delete|operator new|operator delete|定位new|与malloc/free区别

原创于 2025-12-29 15:35:40 发布 · 1k 阅读

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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__  
pChar3在哪里？__A__  
*pChar3在哪里？__D__  
ptr1在哪里？__A__  
*ptr1在哪里？_B___
sizeof(num1) = 40
sizeof(char2) = 5
strlen(char2) = 4
sizeof(pchar3) = 4/8
strlen(pchar3) = 4
sizeof(ptr1) = 4/8

![[Pasted image 20251229010247.png]]

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。
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。

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 );  
}

malloc/calloc/realloc的区别？
calloc=malloc+memset

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。

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10  
	int* ptr5 = new int(1);  
	
	// 动态申请10个int类型的空间  
	int* ptr6 = new int[3]{1,2,3}; 
	int* ptr7 = new int[10]{1,2,3};   
	
	delete ptr4;  
	delete ptr5;  
	delete[] ptr6;  
}

![[Pasted image 20251229010512.png]]

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。

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()  
{  
	// 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));  
	A* p2 = new A(1);  
	free(p1);  
	delete p2;  
	
	// 内置类型是几乎是一样的  
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C  
	int* p4 = new int;  
	free(p3);  
	delete p4;  
	
	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);  
	A* p6 = new A[10];  
	free(p5);  
	delete[] p6; 
	 
	return 0;  
}

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。

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 bytes  
	void *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_FINALLY
	
	return;  
} 

/*  
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和delete的实现原理

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。

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

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。

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，因为构造函数没有执行  
	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;  
}

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释放