9、C/C++ 内存管理详解：从基础到面试题

📘 C/C++ 内存管理详解：从基础到面试题

本文系统梳理了 C/C++ 中的内存分布、动态内存管理方式、new/delete 的底层原理，以及常见面试题，适合初学者和求职者参考。

🎯 本文目标

理解 C/C++ 程序的内存分布结构
掌握 C 语言中的动态内存管理函数：malloc / calloc / realloc / free
掌握 C++ 中的 new / delete 操作符及其底层机制
理解定位 new 表达式（placement-new）
掌握常见面试题与内存泄漏检测方法

🧠 1. C/C++ 程序内存分布

C/C++ 程序运行时的内存通常分为以下几个区域：

区域	内容说明
栈（Stack）	局部变量、函数参数、返回地址等，向下增长
堆（Heap）	动态分配的内存，向上增长
数据段	全局变量、静态变量
代码段	可执行代码和只读常量
内存映射段	文件映射、动态库、共享内存等

📌 示例变量归属

cpp 复制代码

int globalvar = 1;               // 数据段
static int staticGlobalvar = 1; // 数据段
void Test() {
    static int staticVar = 1;   // 数据段
    int localvar = 1;           // 栈
    int num1[10] = {1,2,3,4};   // 栈
    char char2[] = "abcd";      // 栈（字符数组）
    const char* pchar3 = "abcd";// 栈（指针）+ 代码段（字符串常量）
    int* ptr1 = (int*)malloc(4 * sizeof(int)); // 栈（指针）+ 堆（数据）
}

🧮 2. C语言动态内存管理函数

✅ 函数说明

函数	功能
`malloc`	分配指定大小的内存，内容未初始化
`calloc`	分配并初始化为 0
`realloc`	重新分配内存大小
`free`	释放已分配的内存

📌 示例代码

cpp 复制代码

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p1);

int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
free(p3); // 不需要再 free(p2)

🚀 3. C++ 的动态内存管理方式

C++ 提供了更高级的 new / delete 操作符，支持对象构造与析构。

✅ 基本用法

cpp 复制代码

int* ptr1 = new int;        // 分配一个 int
int* ptr2 = new int(10);    // 分配并初始化
int* ptr3 = new int[3];     // 分配数组

delete ptr1;
delete ptr2;
delete[] ptr3;

✅ 自定义类型支持构造/析构

cpp 复制代码

class A {
public:
    A(int a = 0) : _a(a) { cout << "构造:" << this << endl; }
    ~A() { cout << "析构:" << this << endl; }
private:
    int _a;
};

A* p1 = new A(1);
delete p1;

🔍 4. operator new 与 operator delete 原理

✅ operator new

底层通过 malloc 分配空间，失败时尝试调用 _callnewh()，最终可能抛出 bad_alloc 异常。

✅ operator delete

底层通过 free 释放空间，并进行内存块验证与线程锁保护。

⚙️ 5. new/delete 的实现原理

内置类型

new 与 malloc 类似，但 new 会抛异常，malloc 返回 NULL
delete 与 free 类似

自定义类型

new：调用 operator new → 构造函数
delete：析构函数 → 调用 operator delete
new[] / delete[]：分别调用构造/析构函数 N 次

📦 6. 定位 new 表达式（placement-new）

用于在已分配的内存上构造对象，常用于内存池。

cpp 复制代码

void* raw = malloc(sizeof(A));
A* obj = new(raw) A(10); // 构造对象
obj->~A();               // 手动析构
free(raw);

🎯 7. 常见面试题汇总

✅ malloc/free vs new/delete

对比项	malloc/free	new/delete
类型	函数	操作符
初始化	不初始化	可初始化
类型安全	需强转	类型明确
错误处理	返回 NULL	抛异常
构造/析构	不调用	自动调用

🧨 内存泄漏详解

什么是内存泄漏？

程序未释放已分配但不再使用的内存，导致资源浪费。

危害

程序响应变慢
系统资源耗尽
程序崩溃或卡死

示例

cpp 复制代码

int* p = new int[10];
// 忘记 delete[] p; 就会造成泄漏

🛠️ 如何检测与避免内存泄漏

检测方法

Windows：使用 _CrtDumpMemoryLeaks()
Linux：使用 Valgrind 等工具

避免方法

良好编码规范
使用智能指针（RAII）
使用公司内部内存管理库
使用专业检测工具

✅ 总结

C/C++ 的内存管理是系统编程的核心技能，理解内存分布、掌握动态分配与释放机制、熟悉构造与析构行为，是写出高质量代码的基础。面试中常考这些知识点，建议配合代码练习与工具使用深入掌握。