C++内存管理

最新推荐文章于 2025-06-02 13:01:50 发布

勇794

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分类专栏： c++ 文章标签： c++ 开发语言

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文章详细介绍了C++中的内存分布，包括栈、堆、数据段和代码段。对比了C语言和C++中动态内存管理的不同，如malloc/free与new/delete的使用。重点讨论了new和delete操作符的工作原理，包括构造函数和析构函数的调用，以及new[]和delete[]对数组的处理。提到了定位new表达式的概念和用途，并阐述了内存泄漏及其危害以及避免方法，如智能指针的使用。

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【本节目标】

1. C/C++内存分布

2. C语言中动态内存管理方式

3. C++中动态内存管理

4. operator new与operator delete函数

5. new和delete的实现原理

6. 定位new表达式(placement-new)

7. 常见面试题

C/C++内存分布

【说明】

1. 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。

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。

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

C语言中动态申请int和5个int数组

int main()
{
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)*5);

free(p1);
free(p2);
 
        p1 = nullptr;
        p2 = nullptr;
        
return 0;
}

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。

C++中动态申请int和5个int数组

int main()
{
int* p3 = new int;
int* p4 = new int[5];

delete p3;
delete[] p4;
 
        p3 = nullptr;
        p4 = nullptr;
return 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。

总结：

malloc/free 和 new/delete对于内置类型没有本质区别只有用法区别。

申请内存时的初始化以及释放时的销毁

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 = (A*)malloc(sizeof(A));
A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A) * 5);

A* p3 = new A;
A* p4 = new A[5];

free(p1);
free(p2);

delete p3;
delete[] p4;

return 0;
}

使用new申请空间时，会自动调用构造函数进行初始化。

使用delete会自动调用析构函数，将申请的空间归还。

使用new，可以在后面直接写出要初始化的值，单个数用(),数组用{ }，C++98不支持初始化new的数组，C++11支持用{ }列表初始化。

int main()
{
int* p3 = new int（5）;
int* p4 = new int[5]{1，2，3，4，5};

delete p3;
delete[] p4;
 
        p3 = nullptr;
        p4 = nullptr;
return 0;
}

总结：

new 在堆上申请对象空间+调用构造函数初始化对象

delete 先调用指针类型析构函数 + 释放空间给堆上

malloc free 和 new / delete 、new[ ] / delete [ ]匹配使用，否则可能会崩溃

C++提出new和delete,主要是解决两个问题

1.自定义类型对象自动申请的时候，初始化和清理的问题。new / delete会调用构造函数和析构函数。

2.new失败了以后要求抛异常，这样才符合面向对象语言的出错处理机制。

ps:delete和free一般不会失败，都是释放空间上存在越界或者释放指针位置不对

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。

new、operator new、malloc之间的关系

operator new源码

// 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源码

// 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)

总结

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) （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。

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;
}