内存管理：掌控对象的诞生与销毁

Lazionr2026-06-19 8:20

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一、C/C++内存分布

C/C++ 程序运行时的虚拟内存空间（从低地址到高地址）通常划分为以下几个核心区域：

1. 代码段（.text）

  • 存放内容：CPU 执行的机器指令（函数体二进制代码）。
  • 特点：只读，防止程序意外修改自身指令。

2. 常量区（.rodata）

  • 存放内容 ：字符串常量、const 修饰的全局/静态变量（通常）。
  • 特点：只读，尝试写入会引发段错误（Segment Fault）。

3. 数据段（.data）

  • 存放内容 ：已初始化且初值不为0 的全局变量和静态局部变量（包括 static 修饰的变量）。
  • 特点：程序启动时从可执行文件加载，生命周期贯穿整个程序运行。

4. BSS段（.bss）

  • 存放内容 ：未初始化或初值为0的全局变量和静态局部变量。
  • 特点：不占用可执行文件磁盘空间，程序启动时由操作系统统一清零初始化。

5. 堆（Heap）

  • 存放内容 ：通过 malloc（C）/ new（C++）动态分配的内存。
  • 特点 ：由低地址向高地址增长，需要手动释放（free/delete，或 C++ 智能指针自动管理）。

6. 内存映射段（Memory Mapping Segment）

  • 存放内容 ：动态链接库（.so/.dll）、mmap 映射的大文件或匿名内存。
  • 特点：位于堆和栈之间，用于文件映射和线程间共享内存。

7. 栈（Stack）

  • 存放内容：局部变量、函数参数、返回地址、栈帧（Frame）信息。
  • 特点：由高地址向低地址增长，由编译器自动分配和释放，效率高但容量有限（通常几 MB）。

二、C/C++内存管理方式

I、C语言管理方式

在C语言中，通常使用malloc,calloc,realloc和free来管理内存；

首先我们要知道malloc,calloc,realloc三者之间的区别

malloc申请的空间是未初始化的，速度快；

calloc可以开空间并将申请的区域初始化为0；

realloc通常用于扩容，分为原地扩容 和异地扩容，异地扩容成功后会释放掉之前申请的空间，但是如果扩容失败就会导致内存泄露，因此要用临时指针进行接收

free就是释放掉我们申请的空间，对于申请的空间，一定要free

下面我们来看一道题目：

cpp 复制代码 
void Test()
{
	int* p1 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p2 = (int*)realloc(p1, sizeof(int) * 10);

	//需要free(p1)吗？
	free(p2);
}

答案是不需要

如果p2是原地扩容，那么就会直接返回p1的地址，最终释放的是同一块地址，无需释放p1

如果p2是异地扩容，那么会将原空间内容拷贝到新空间，接着释自动释放掉原空间，并将p1置为空，无需手动free

||、C++管理方式

1、new和delete

由于C++是兼容C语言的，因此C语言的malloc,calloc,realloc, free在C++编译环境中依然能正常使用；

C++中通过new和delete操作符进行动态内存管理

下面通过代码来了解new和delete的使用方法

2、内置类型

cpp 复制代码 
int main()
{
	//申请一个int类型空间
	int* p1 = new int;
	delete p1;

	//申请一个int类型空间并初始化为1
	int* p2 = new int(1);
	delete p2;

	//申请5个int类型的空间
	int* p3 = new int[5];
	delete[] p3;

	//申请5个int类型的空间并初始化
	int* p4 = new int[5] {1, 2, 3, 4, 5};
	delete[] p4;

	//申请10个int类型的空间并初始化
	//后续没有被初始化的值均为0
	int* p5 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};
	delete[] p5;

	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

必须要匹配使用申请空间和释放空间

3、自定义类型

对于自定义类型,new和delete最大的区别就是new会在申请完空间之后自动调用构造函数；

delete会先调用析构函数然后再释放空间；

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	A(const A& a)
	{
		cout << "A(const A& a)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

void Test02()
{
	//对于自定义类型
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);//自动调用构造函数和析构函数
	free(p1);
	delete p2;

	A* p3 = new A[10];
	delete[] p3;
}

我们通过程序运行结果来看是否互自动调用构造函数和析构函数

和预想一样，确实自动调用了构造函数和析构函数；

这就是C++中自己的内存管理方式，我们继续向下看；

在C语言中，对于malloc申请的空间通常用临时指针来接收返回值判断是否申请失败；

而在C++中new申请之后没有返回值，要采用捕获异常的方式来判断，如下所示

cpp 复制代码 
//x86环境
int main()
{
	try
	{
		// throw try/catch 
		//相当于申请1G	
		void* p1 = new char[1024 * 1024 * 1024];
		cout << p1 << endl;

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

	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

在上面程序中，我们想要在堆上申请2G空间，在x86环境下，看能否申请成功

程序打印出来了bad allocation，说明程序申请失败了，只申请了1G空间；

当前阶段，只需会捕获异常即可！

三、实现原理

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/delete 操作符 ：这是C++的关键字，是你在代码中直接使用的入口;它负责编排整个流程，但不直接进行内存分配。
  • operator new/operator delete 函数 ：这是C++标准库提供的全局函数 。new 操作符会调用它们来执行真正的内存分配和释放。可以把它看作是 malloc/free 的"C++风格包装器"。
  • malloc/free 函数 ：这是C标准库的函数，是底层内存管理的最终执行者。operator new 和 operator delete 在底层最终调用的就是它们。

a、对于普通对象

也就是说，当我们写下一个new T时：

1、编译器首先会分配内存，调用operator new(sizeof(T))函数，这个函数又会调用malloc，让其从堆上分配一块空间，如果分配失败，operator new会抛出一个std::bad_alloc异常，并不会像malloc那样返回NULL

2、接着会调用T的构造函数，完成对对象的初始化

当我们写下一个delete T时：

1、编译器首先会调用析构函数，释放对象内部申请的资源；

2、接着调用operator delete(void* p)这个函数，这个函数内部会调用free，将申请的空间进行释放

b、对于对象数组

new T[N]：

1、编译器首先会调用operator new[]，实际上会调用operator new来申请内存

注意：编译器通常会多申请一块小空间，放在这个内存块前面，存储数组元素个数

2、在申请的内存，依次调用n次析构函数，初始化数组中的每个对象；

delete[] p：

1、首先会先读取数组元素个数，从p指向位置向前偏移，读取存储元素个数

2、根据n的大小来确定调用析构函数的次数，清理对象

3、最终调用operator delete[](内部会调用operator delete和free)释放整块内存（包括存储元素个数的部分）

特别注意 ：delete[] 依赖这个存储的"元素个数"来知道要调用多少次析构函数；因此，用 new\[\] 分配的内存，必须用 delete\[\] 释放 ，否则可能导致只析构了第一个对象，造成内存泄漏或其他未定义行为。对于没有自定义析构函数的简单类型（如 int），编译器可能不会存储这个计数。

四、定位new表达式

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表达式在实际使用中一般是配合内存池使用；因为内存池分配出来的内存没有初始化，那就需要 使用new的定义表达式显示调用构造函数

我们通过下面代码来体会显示调用构造函数

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A()" << endl;
	}
	A(const A& a)
	{
		cout << "A(const A& a)" << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//此时p1指向的是一块分配好的空间，但并没有被初始化，因为没有执行构造函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

	new(p1)A;//如果A类的构造函数有参数时，需要传参
	p1->~A();//析构函数

	//显示调用析构函数之后，可以直接使用free，不过建议配套使用
	free(p1);


	return 0;
}

先来看上面这段程序运行结果：

上述这个例子的构造函数是无参的，下面来观察带参构造函数

cpp 复制代码 
int main()
{
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));

	new(p2)A(10);//显示调用构造函数
	p2->Print();
	p2->~A();//析构函数

	operator delete (p2);//底层调用free
	return 0;
}

完全没有问题！和预期结果一致

五、malloc/free与new/delete的区别

在C语言中，malloc,calloc,realloc,free管理内存的都是函数；

而C++中，new和delete是关键字

下面就来分析C/C++中malloc/free与new/delete的区别

首先来看共同特点：都是从堆上申请空间，并且需要手动释放！

不同点：

  • malloc和free是函数，而new和delete是操作符
  • malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化
  • malloc申请的空时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在后面跟上类型即可，如果是多个对象， 中指定对象大小即可
  • malloc的返回值为void*，在使用时必须强转，new不需要，new后面就是空间类型
  • malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此必须要判空处理；new不需要判空，需要捕获异常
  • 申请自定义类型时，malloc/free只会申请/释放空间，不会调用构造函数和析构函数，而new在申请完空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete会在释放前调用析构函数清理对象资源，最终释放整块内存

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