深入理解 C/C++ 内存管理：从内存布局到动态分配

内存管理是 C/C++ 程序设计中至关重要的一环，它不仅关系到程序的性能，还直接影响程序的稳定性和安全性。本文将系统性地介绍 C/C++ 中的内存分布、动态内存管理方式及其底层原理，帮助你构建清晰的内存管理知识体系。

[一、C/C++ 程序内存布局](#一、C/C++ 程序内存布局)

示例分析

[二、C 语言动态内存管理：malloc / calloc / realloc / free](#二、C 语言动态内存管理：malloc / calloc / realloc / free)

常见面试题

[三、C++ 内存管理方式：new / delete](#三、C++ 内存管理方式：new / delete)

基本使用

[与 malloc/free 的最大区别](#与 malloc/free 的最大区别)

[四、operator new 与 operator delete](#四、operator new 与 operator delete)

[自定义 operator new/delete](#自定义 operator new/delete)

[五、new 和 delete 的实现原理](#五、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)

[六、定位 new 表达式（placement new）](#六、定位 new 表达式（placement new）)

[七、malloc/free 与 new/delete 的区别总结](#七、malloc/free 与 new/delete 的区别总结)

结语

一、C/C++ 程序内存布局

在 C/C++ 程序中，内存通常被划分为以下几个区域：

区域	存储内容
栈（Stack）	局部变量、函数参数、返回值等，由编译器自动分配和释放，向下增长。
堆（Heap）	动态分配的内存，由程序员手动管理（malloc/free、new/delete），向上增长。
数据段（Data Segment）	全局变量、静态变量（static）。
代码段（Code Segment）	可执行代码、字符串常量等只读数据。
内存映射段（Memory Mapping Segment）	文件映射、动态库、匿名映射等。

示例分析

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（数组在栈上，字符串内容在栈中复制）
    const char* pchar3 = "abcd"; // pchar3在栈，"abcd"在代码段
    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); // ptr1在栈，指向堆内存
}

二、C 语言动态内存管理：malloc / calloc / realloc / free

C 语言提供了以下动态内存分配函数：

函数	说明
`malloc`	分配指定字节数的未初始化内存。
`calloc`	分配并清零内存，适用于数组。
`realloc`	调整已分配内存的大小，可能移动内存块。
`free`	释放已分配的内存。

常见面试题

malloc / calloc / realloc 的区别？
- malloc 只分配不初始化；
- calloc 分配并初始化为 0；
- realloc 用于调整内存大小。
malloc 的实现原理？
- 在 glibc 中，malloc 通过维护一个内存块链表来管理堆内存，使用首次适应、最佳适应等算法分配内存。

三、C++ 内存管理方式：new / delete

C++ 引入了 new 和 delete 操作符，它们在 C 语言的基础上增加了对对象生命周期的管理。

基本使用

cpp

复制代码

// 单个对象
int* p1 = new int;
int* p2 = new int(10);  // 初始化为 10
delete p1;
delete p2;

// 对象数组
int* p3 = new int[10];
delete[] p3;

与 malloc/free 的最大区别

对于自定义类型 ，new 会调用构造函数，delete 会调用析构函数，而 malloc/free 不会。

cpp

复制代码

class A {
public:
    A() { cout << "构造" << endl; }
    ~A() { cout << "析构" << endl; }
};

A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));  // 不会调用构造函数
A* p2 = new A;                   // 调用构造函数
free(p1);                        // 不会调用析构函数
delete p2;                       // 调用析构函数

四、operator new 与 operator delete

new 和 delete 在底层调用的是全局函数 operator new 和 operator delete：

operator new 内部调用 malloc，失败时抛出 std::bad_alloc 异常；
operator delete 内部调用 free。

自定义 operator new/delete

我们可以重载这两个函数来实现自定义内存管理策略，例如内存池。

五、new 和 delete 的实现原理

5.1 内置类型

与 malloc/free 类似，区别在于：

new 失败时抛异常，malloc 返回 NULL；
new[]/delete[] 用于连续空间。

5.2 自定义类型

new：
1. 调用 operator new 分配内存；
2. 调用构造函数初始化对象。
delete：
1. 调用析构函数清理资源；
2. 调用 operator delete 释放内存。

六、定位 new 表达式（placement new）

定位 new 用于在已分配的内存上构造对象，常用于内存池场景。

cpp

复制代码

A* p = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p) A();        // 在 p 指向的内存上调用构造函数
p->~A();           // 显式调用析构函数
free(p);

七、malloc/free 与 new/delete 的区别总结

特性	malloc/free	new/delete
语言	C 函数	C++ 操作符
初始化	不初始化	可初始化
大小计算	手动计算	自动计算（类型）
返回值	void*（需强转）	类型指针（无需强转）
失败处理	返回 NULL	抛出异常
对象生命周期管理	不调用构造/析构函数	调用构造/析构函数

结语

理解 C/C++ 内存管理是写出高效、稳定程序的基础。从内存布局到动态分配，从 malloc/free 到 new/delete，再到底层的 operator new/delete 和定位 new，每一个环节都值得深入学习和实践。希望本文能帮助你构建清晰的内存管理知识框架。

本文基于《C/C++ 内存管理》学习笔记整理而成，适用于面试准备和系统学习。建议结合实际代码练习，加深理解。