【C++】C/C++内存管理

ZLRRLZ2024-11-09 14:56

目录

[1. C/C++内存分布](#1. C/C++内存分布)

[2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free](#2. C语言中动态内存管理方式：malloc/calloc/realloc/free)

[3. C++内存管理方式](#3. C++内存管理方式)

[3.1 new/delete操作内置类型](#3.1 new/delete操作内置类型)

[3.2 new和delete操作自定义类型](#3.2 new和delete操作自定义类型)

3.3new空间申请错误的处理

[4. operator new与operator delete函数](#4. operator new与operator delete函数)

[4.1 operator new与operator delete函数（重点）](#4.1 operator new与operator delete函数（重点）)

[5. new和delete的实现原理](#5. new和delete的实现原理)

[5.1 内置类型](#5.1 内置类型)

[5.2 自定义类型](#5.2 自定义类型)

new的原理

delete的原理

[new T[N]的原理](#new T[N]的原理)

delete[]的原理

5.3new/delete不搭配使用的额外情况

[6. 定位new表达式(placement-new) （了解）](#6. 定位new表达式(placement-new) （了解）)

[7. malloc/free和new/delete的区别](#7. malloc/free和new/delete的区别)

1. C/C++内存分布

程序的运行本质上就是存储一些指令，存储一些数据，对于数据,由于的需求的不同，有的可能使用一下就行了，有的需要长期使用，有的不能修改，因此内存中划分成不同的区域存放相关的一些数据（本文主要目的在于介绍C++相关内存管理方式，对于内存浅浅介绍一些知识，具体相关内存底层知识请移步其他文章。）

【说明】

  1. 栈 又叫堆栈--存储非静态局部变量/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。（现在只需要了解一下）

  1. 堆 用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的 。

  2. 数据段 --**存储全局数据和静态数据，**也加静态区。

  3. 代码段 --**可执行的代码/只读常量，**也叫常量区。

我们先来看下面的一段代码和相关问题，了解一下不同数据存储的区域。

#include<iostream>

using namespace std;

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

globalVar定义在全局域上，是全局变量存储在数据段

staticGlobalVar在哪里？____C

staticGlobalVar是静态变量存储在数据段上

staticVar在哪里？____C

staticVar，static修饰，是静态变量存储在数据段上

localVar在哪里？____A

localVar定义在局部域上，是局部变量，存储在栈上

num1 在哪里？____A

num1定义在局部域上，是局部变量，存储在栈上

char2在哪里？____A

char2代表数组首元素，是指针，定义在局部域内，存储在栈上。

* char2在哪里？___A

char2是数组首元素的地址，我们使用常量字符串为数组赋值，实质上是常量字符串拷贝一份存到数组内，而数组定义在局部域内，存储在栈上，解引用char2，得到的数据在栈上。

pChar3在哪里？____A

pChar3是定义在局部域内的指针，存储在栈上

* pChar3在哪里？____D

pChar3存储常量字符串 "abcd"的地址，常量字符串存储在代码段上，因此，解引用

得到常量字符，存储在代码段上。

ptr1在哪里？____A

ptr1是定义在局部域内的指针，存储在栈上

* ptr1在哪里？____B

ptr1是指向malloc申请的动态空间，动态空间在堆上，解引用获得数据在堆上。

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

cpp 复制代码 
void Test()
{
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	int* p1 = (int*)malloc(4*sizeof(int));
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 这里需要free(p2)吗？不需要如果realloc原地扩容返回给p3的就是p2的地址，如果realloc是异地扩容 
    //realloc会释放旧空间。
	free(p3);
}

malloc会从堆上申请对应的动态空间，calloc与malloc相比基本功能一致，但是在malloc基础上，calloc会对申请的空间进行初始化。realloc进行的是扩容操作，如果原先申请的空间相邻位置足够大到支持扩容，reallo原地进行扩容，并将原地址返回，如果空间不够，则在新地方申请足够的空间，并将原空间数据拷贝到新空间，释放旧空间，返回新空间地址。

【面试题】

  1. malloc/calloc/realloc的区别？

  2. malloc的实现原理？ glibc中malloc实现原理

3. C++内存管理方式

C语言内存管理方式（malloc/calloc/realloc与free）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。

3.1 new/delete操作内置类型

cpp 复制代码 
int main()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* p1 = new int;

	// 动态申请10个int类型的空间
	int* p2 = new int[10];

	delete p1;
	delete[] p2;

	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为0
	int* p3 = new int(0);

	//动态申请10个int类型的空间，10个空间初始化为0
	int* p4 = new int[10]{ 0 };

	//动态申请10个空间，前5个空间依次初始化为1,2,3,4,5,后5个空间默认初始化为0
	int* p5 = new int[10]{1,2,3,4,5};

	delete p3;
	delete[] p4;
	delete[] p5;

	return 0;
}

在C语言中，我们使用malloc等需要计算申请的空间大小，使用new我们只需要new 后面加类型就可以申请单个对象空间，后面再接[]里面填数字，就可以申请连续的几个空间。对于单个对象，类型后加（）给值进行初始化；对于多个对象，[]后面再加{}，给值从左往右依次连续初始化，为给值的空间初始化为默认值。

申请的空间使用完毕后，对于单个空间，以delete 加对象的形式释放空间，对于多个空间，以delete[]加对象的形式初始化

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。

3.2 new和delete操作自定义类型

cpp 复制代码 
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;
}

new/delete与C语言管理内存方式的一个显著不同，就是对于自定义类型的对象，new会自动调用对象的构造函数进行初始化，delete会自动调用析构函数清理自定义类型内部申请的资源。

cpp 复制代码 
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& aa)
		:_a1(aa._a1)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a1 = aa._a1;
		}
		return *this;
	}

	~A()
	{
		//delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

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

	A& operator++()
	{
		_a1 += 100;

		return *this;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};


int main()
{

	A* p1 = new A(1);//自动调用构造函数
	A* p2 = new A(2, 2);

	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
    //自动调用析构函数
	return 0;
}
cpp 复制代码 
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& aa)
		:_a1(aa._a1)
	{
		cout << "A(const A& aa)" << endl;
	}

	A& operator=(const A& aa)
	{
		cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
		if (this != &aa)
		{
			_a1 = aa._a1;
		}
		return *this;
	}

	~A()
	{
		//delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

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

	A& operator++()
	{
		_a1 += 100;

		return *this;
	}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};


int main()
{

	A* p1 = new A(1);
	A* p2 = new A(2, 2);

	A aa1(1, 1);
	A aa2(2, 2);
	A aa3(3, 3);
	A* p3 = new A[3]{ aa1, aa2, aa3 };//有名对象构造

	A* p4 = new A[3]{ A(1,1), A(2,2), A(3,3) };//匿名对象构造

	//A aa1 = { 1, 1 };
	A* p5 = new A[3]{ {1,1}, {2,2}, {3,3} };//隐式类型转化

	return 0;
}

此外，在定义成员为A类型的数组是，我们可以通过传有名对象拷贝构造数组成员，为了进一步简化过程我们还可以直接传递匿名对象拷贝构造，除此之外，单参数与多参数构造函数都支持隐式类型转换，我们可以直接向数组传递值，用{}将当对象的值括起来，这些值会先进行类型转换，构造出A对象，在拷贝构造给数组的成员，这样的写法非常方便。

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。

3.3new空间申请错误的处理

cpp 复制代码 
int main()
{
	try
	{
		// 空间申请失败会throw一个异常， try/catch来捕获这个异常 
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p1 << endl;

		void* p2 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p2 << endl;

		void* p3 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p3 << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;//打印这个异常，查看错误信息
	}

	return 0;
}


void func()
{
	// throw try/catch 
	int n = 1;
	while (1)
	{
		void* p1 = new char[1024 * 1024];
		cout << p1 << "->"<< n<<endl;
		++n;
	}
}

int main()
{
	try
	{
		func();// 空间申请失败会throw一个异常， try/catch来捕获这个异常 
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

在C语言中，申请空间失败后会返回NULL,为了保证安全，我们需要自己对失败情况进行处理，而new申请失败后，它底层上会有throw抛出一个异常，try/catch来捕获异常，try{}内部写new的等操作,异常被出现后，程序会直接跳转到catch内，我们可以将异常打印出来一遍了解导致申请失败的原因（因为异常等涉及C++11等知识，到本文位置了解一下就行，平时申请空间一下，一般不会出错，可以暂不进行异常处理。）

4. operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数（重点）

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我们可以知道，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

5. new和delete的实现原理

5.1 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。

5.2 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n次完成N个对

象空间的申请

  1. 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

总的来说，new/delete底层就是operate new /delete加上对应的构造跟析构函数，作为操作符，使用new/delete编译器会直接将其编译为对应的指令。

5.3new/delete不搭配使用的额外情况

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p1 = new int;//内置类型，没有指向什么资源
	free(p1);//使用free，不会调用析构函数
	//delete p1;

	A* p2 = new A;//A匿名对象中有指针指向一块空间
	free(p2);//free仅会释放匿名对象的空间，指针管理的空间丢失
	//delete p2;

	return 0;
}

首先，对于内置类型以及部分自定义类型（本身内部没有通过指针管理资源的对象）来说，如果使用new来申请空间，再使用free，因为没有额外的资源，我们使用free是没有问题的，不会造成内存泄漏。

但是当自定类型内部通过指针管理空间，那么使用new申请，用free释放，仅仅会释放对象本身的空间，指针额外管理的空间无法释放，造成内存泄漏的问题。必须使用delete(会自动调用析构函数，析构函数会释放对象额外管理的资源)

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p1 = new int[10]; // -> malloc
	delete p1;             // -> free
	free(p1);

	return 0;
}

当使用new 类型[数量]的形式开辟数组时，对应应该使用delete[]来释放资源，但是对于内置类型来说没有什么额外的资源，那么new本身就相当于调用调用malloc，delete就像当于调用free，不会出现什么问题。

cpp 复制代码 
class A
{
	~A()
	{
		//delete _ptr;
		cout << "~A()" << endl;
	}

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


class B
{
private:
	int _b1 = 2;
	int _b2 = 2;
};

int main()
{

	B* p2 = new B[10];
	delete p2;//B对象数组不会报错

	A* p3 = new A[10];
	delete[] p3;//A对象数组会报错

	return 0;
}

但是对于自定类型来说，我们发现会出现一个神奇的情况，如上图B类型的对象使用delete释放不会报错，但是对于A类型对象使用delete却会报错。

这是因为new开辟多个对象时，编译器会在数组空间前方开辟4个字节存数组元素个数，使用delete[]时就会去取个数，根据个数调用n次析构,这也及时为什么delete[]，方括号内不用写数量的原因。

B类型内部没有显式的写析构函数（编译器自动生成的析构函数本身也不做什么），编译器会进行优化，编译器扫描一遍，发现B没有显式的写析构，说明对象本身没有什么需要释放的资源，使用delete,编译器不会开辟空间去存数组元素个数，也不会再调用析构，，delete就相当于free,所以free去释放一段连续空间，程序不会报错。

但是对于A类型来说，显式写了析构，编译器会去开辟空间存储数组元素个数，但是delete不会去取数组个数，释放空间时delete是从上图位置开始释放的（delete[]会去取个数，从总空间开始位置释放），不会释放存储个数的空间，那么释放一块连续空间的部分空间，程序报错。

总结使用new、delete、new 类型[数量]、delete[]是一定要注意搭配使用，不要乱用。（注以上实验数据受到编译器优化的影响，不同平台的结果可能不同。）

6. 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

cpp 复制代码 
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()
{
	// p2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* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(10);// 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参

	p2->~A();//显式调用析构
	operator delete(p2);
	return 0;
}

上文我们提到过operate new/delete是全局函数，可以直接调用。直接调用operate new与new的区是前者不会调用构造函数，定义的对象没有初始化，对于这块我们可以调用定位new来初始化，直接调用operate delete与delete的区别是不会调用析构函数，自定义内型内部额外管理的资源无法释放，我们可以显示调用析构函数来解决。

上一段定位new的应用看上去多此一举，没有什么意义，但其实定位new有其他用处。

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。（析构可以显式调用，但是构造不可以）

7. 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：

  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

  1. 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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