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C++ 内存管理

news 2025/7/29 7:27:32

希望文章能对你有所帮助，有不足的地方请在评论区留言指正,一起交流学习!

目录

1.C/C++内存分布

2.C语言中动态内存管理方式

3.C++内存管理方式

3.1.内置类型

3.2.自定义类型

3.3.new和delete的底层

（1） 调用operator new与operator delete函数

（2）operator new与operator delete函数是什么

（3）new和malloc的关系，以及delete和free的关系

3.4.定位new表达式(placement-new)

4. malloc/free和new/delete的区别

1.C/C++内存分布

        C/C++数据分为局部数据、全局数据和静态数据、常量数据、动态申请的数据四种。分别存储在栈（自上向下，向低地址方向生长）、静态区、常量区、堆（自下向上、向高地址方向生长）。

        栈可以存储非静态局部变量、函数返回值、函数参数；堆用于程序运行时内存动态分配，数据段又叫做静态区存储全局数据和静态数据，常量区又叫做代码段可以存储可执行的代码和常量；

        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。（还没见过）

        内存的分配时基于程序编写的需求；我们所编写的程序存储在磁盘上的，当其运行起来本质是以进程的角度运行的；上述描述举实程序运行之后，操作系统分配给进程的虚拟进程地址空间。

2.C语言中动态内存管理方式

                C语言使用动态内存函数开辟、扩展、初始化开辟的堆空间。之间的文章有内存管理函数的详细介绍，不了解的可以看看这篇博客 C语言笔记（动态空间的内存管理）-CSDN博客   。

        在这个主要介绍三个函数malloc、calloc以及realloc之间的相同和不同。

相同点：

  1. 三者均用于在程序运行时从堆（Heap）中动态分配内存，且分配的内存需手动通过 free() 释放，否则会导致内存泄漏。
  2. 成功时均返回 void* 指针，需根据实际使用场景强制转换为所需类型；失败时返回 NULL。
  3. 分配的内存均位于堆区。

不同点：

  1. malloc函数分配一块连续的、未初始化的内存空间。
  2. calloc分配并初始化为零的内存空间；
  3. realloc调整已分配内存块的大小，可能涉及内存搬迁。

                realloc分为异地扩容和原地扩容，当内存空间开辟成功的条件下，异地情况下，原来的内存空间销毁。但是使用realloc函数扩容的情况下，切勿将接受参数和实际参数相同，以防扩容失败导致内存泄漏。

     4.当然参数也是不一样的；

演示一下

int main()
{int* ptr1 = (int*)malloc(3 * sizeof(int));// 未初始化// 需要额外的初始化ptr1[0] = 10;ptr1[1] = 20;ptr1[2] = 30;//calloc直接初始化为0int* ptr2 = (int*)calloc(3, sizeof(int));//realloc 在原本的大小上扩容int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 6);free(ptr1);free(ptr3); //ptr2不用释放，因为，ptr2已经被释放或者覆盖。ptr1 = nullptr;ptr2 = nullptr;ptr3 = nullptr;return 0;}

3.C++内存管理方式

        C++中的内存管理主要依靠new和delete操作符进行内存管理，操作符的相比C语言的函数来说就是简洁，书写简单。

        我将new和malloc函数进行对比来说明new以及delete是如何使用的。

3.1.内置类型
int main()
{//内置类型 // 开辟一个整型的空间，未初始化，并且其返回值为void* 类型，需要强制转换int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(ptr1);// 和上述malloc函数一样，同样没有初始化，但是new是根据后面的类型返回相同类型的指针的。int* ptr2 = new int;delete ptr2;// new的初始化int* ptr3 = new int(45);delete ptr3;// 上述都是开辟单个数，new开辟数组int* ptr4 = new int[5];delete[] ptr4;// 开辟数组并初始化 当初始化一部分的时候，未初始化部分按照0进行初始化int* ptr5 = new int[5]{0,1};delete[] ptr5;return 0;
}

        大家可以自己调试一下，在内置类型上的相同和不同

相同 ：malloc和new都是在堆上开辟了一块空间，一样的是二者的返回值都需要指针来接收。

不同：new可以在开辟空间之后初始化。

3.2.自定义类型

        下述代码是new对于自定义类型的使用。

class B
{
public://构造函数B(int b = 4) :_b(b){_count++;cout << "Init" << ":" << _count << endl;}//  拷贝构造函数B(const B& b){_b = b._b;cout << "Copy"  << endl;}void Print(){cout << _b << endl;}// 析构函数~B(){_count--;cout << "Destroy" << endl;_b = 0;}private:int _b;static int _count;
};
int B::_count = 0;
int main()
{//只是开辟了一块承载B的空间B* ptr1 = (B*)malloc(sizeof(B));free(ptr1);//开辟空间的同时会调用类初始化函数B* ptr2 = new B(45);ptr2->Print();//访问方式和结构体一样，在C++中二者大致一样，区别仅在于默认访问控制//消除对象的同时会调用析构函数delete ptr2;//new还可以创建多个对象//B* ptr3 = new B[4]{0,1,2,3};//这里调用的是构造函数B* ptr3 = new B[4]{ B(0),B(1),B(2),B(3)};//这里是基于匿名对象调用的拷贝构造函数，匿名对象具有常性，因此在拷贝//构造的参数处需要加上 const ，但是由于编译器的优化这里简化为一次的构造的调用，但是const不可以省去//ptr3->Print();//ptr3[0].Print();ptr3[1].Print();// ptr0 和ptr3是一样的ptr3[2].Print();ptr3[3].Print();ptr3[4].Print();//按照数组的访问来，此访问是越界了delete[] ptr3; // 在删除对象的同时会调用析构函数return 0;
}

        这里需要说明就是，new创建对象，会调用构造函数，delete删除对象会调用析构函数。

3.3.new和delete的底层
（1） 调用operator new与operator delete函数
        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。
例子：
int main()
{int* ptr1 = new int(46);delete ptr1;return 0;
}

        在执行new和delete的时候会分别调用operator  new以及operator detele。

（2）operator new与operator delete函数是什么

        在C语言中，开辟内存空间失败的情况，我们习惯于返回空指针NULL；然后使用空指针检测开辟空间是否成功，C语言中失败了会产生错误编号，反馈出错误的原因。

        在C++中，在开辟空间失败之后，一般使用抛异常，直接输出错误原因 。

为了简化程序的设计，operator new与operator delete出现了

        operator new：是为对象分配原始内存空间（不涉及对象构造），并在分配失败时提供特定的错误处理机制。将开辟空间和开辟异常封装一起。

        operator delete：回收原始内存空间（不涉及对象析构），并在必要时将内存归还给操作系统。为了适配new以及自定义数据专门将free进行的包装。

/*
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)

        C语言的输出异常：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
int main() {int* ptr1 = nullptr;do{ptr1 = (int*)malloc(1024 * 1024);cout << ptr1 << endl;} while (ptr1);if (ptr1 == NULL) {// 自动输出错误信息（格式：[自定义前缀]: [错误描述]）perror("malloc failed ");}return 0;
}

        当C语言中出现错误的时候，会生成对用的编号，perror函数会将编号转换为字符串输出。

        C++的抛出异常并捕获：

int main()
{try{int* ptr1 = nullptr;do{ptr1 = (int*)operator new(1024 * 1024);// 使用方式和malloc 一样，是对malloc的封装cout << ptr1 << endl;} while (ptr1);}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

        operator new 会抛出异常 ，try catch会捕获范围内所有错误，包括期间调用的函数出现的错误。

（3）new和malloc的关系，以及delete和free的关系

        new和malloc的关系

        对于内置类型看不出什么不同；但是对于自定义类型中，new分为两部分一个是operator new函数以及构造函数，而detele函数会调用operator detele函数和析构函数。

        上一小节已经说明了operator new函数以及operator detele 函数的构成，不做赘述。

        实例

3.4.定位new表达式(placement-new)

        在 C++ 中，定位 new（Placement New） 是一种特殊的内存分配语法，允许在已分配的内存块上直接构造对象，而无需重新分配内存。它的核心作用是分离内存分配和对象构造，常用于高性能场景（如内存池、嵌入式系统）或特殊内存位置（如共享内存、硬件缓冲区）。

#include <new>  // 必须包含此头文件// 在已分配的内存地址上构造对象
void* raw_memory = /* 已分配的内存块 */;
T* obj = new (raw_memory) T(args...);  // T 是类型，args... 是构造函数参数
#include <iostream>
using namespace std;class B
{
public://构造函数B(int b = 4) :_b(b){_count++;cout << "Init" << ":" << _count << endl;}//  拷贝构造函数B(const B& b){_b = b._b;cout << "Copy"  << endl;}void Print() const{cout << _b << endl;}// 析构函数~B() {_count--;cout << "Destroy" << endl;_b = 0;}private:int _b;static int _count;
};
int B::_count = 0;int main()
{void* ptr1 = malloc(sizeof(B));B* obj = new(ptr1)B(5);obj->Print();obj->~B();

     池化技术 提高效率；内存池、线程池、连接池……

4. malloc/free和new/delete的区别

相同点：
        都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
不同：
  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。

http://www.xdnf.cn/news/1203157.html

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