C++内存管理

DjangoJason

已于 2025-03-04 13:19:46 修改

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文章标签： c++ 开发语言

于 2025-03-03 22:09:25 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_74951730/article/details/146000870

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C++内存管理

引言

在C++编程中，内存管理是一个至关重要的话题，直接关系到程序的性能和稳定性。C++提供了多种内存管理方式，包括栈内存、堆内存、数据段和代码段的划分，以及new/delete、malloc/free等动态内存管理方法。合理使用这些机制，不仅能优化程序运行效率，还能避免内存泄漏和非法访问等常见问题。

本篇博客将系统性地介绍C++的内存管理机制，包括内存分布、动态内存分配方式、new和delete的底层实现原理，以及malloc/free与new/delete的区别等内容。希望通过本篇文章，让读者深入理解C++的内存管理策略，并能够在实际开发中高效、安全地管理内存。

1.内存分布

在这里插入图片描述

说明：

栈又叫做堆栈——存储非静态局部变量/函数参数/返回值等，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。用户可以使用系统接口创建共享内存，用作进程间的通信。
堆 用于程序运行时动态内存分配，堆是向上增长的。
数据段——存储全局数据和静态数据。
代码段——存储可执行的代码/只读常量。

2.内存管理方式

通过new和delete操作符进行动态内存管理

2.1 new/delete操作内置类型

在这里插入图片描述

注：申请和释放单个元素的空间，需要new和delete操作符匹配使用，申请和释放连续的空间，需要new[]和delete[]操作符匹配使用。

代码示例

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

2.2 new/delete操作自定义类型

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。

代码示例

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));
    free(p1);
	A* p2 = new A(1);
	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;
}

2.3 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。

3.new和delete的实现原理

自定义类型

new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

delete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函数来释放对象的空间

new[N]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[]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

4.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。

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式调用构造函数进行初始化。

代码示例

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));
    
    //定位new表达式
	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;
}

5.malloc/free和new/delete 的区别

共同点

都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。

不同点

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

malloc/free和new/delete 的错配问题

代码示例

#include<iostream>
using 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()
	{
		//delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "A::Print->" << _a1 << endl;
	}

private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};

class B
{
public:
	B()
	{
		cout << "B()" << endl;
	}
private:
	int _b1 = 2;
	int _b2 = 2;
};

int main()
{
	B* p2 = new B[10];
	delete p2;

	A* p3 = new A[10];
	free p3;
	
	return 0;
}