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06.C/C++内存管理

news 2025/4/30 15:30:57

在这里C++的内存管理相较于C作出了许多升级，下面我们就来了解一下。

1.C/C++内存分布

我们先来看一下下面的问题，温习一下C的内存分布

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？____
staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____
localVar在哪里？____
num1 在哪里？____
char2在哪里？____
*char2在哪里？___
pChar3在哪里？____
*pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____
*ptr1在哪里？____

通过这个图不难看出答案：CCCAA AAADAB

在 C/C++中，内存主要分为以下几个部分：
一、栈（Stack）

1. 存储内容：

- 局部变量：函数内部声明的非静态变量。
- 函数参数：传递给函数的参数。
- 函数调用信息：如返回地址等。
2. 特点：

- 先进后出（LIFO）的数据结构。
- 内存由编译器自动管理，当函数被调用时分配空间，函数返回时自动释放。
- 空间相对较小，通常几兆字节。

二、堆（Heap）

1. 存储内容：

- 动态分配的内存：通过 malloc （C）、 new （C++）等函数分配的内存。
- 对象和数据结构：可以在运行时根据需要分配较大的内存空间。
2. 特点：

- 内存的分配和释放由程序员手动控制。
- 空间相对较大，可以根据需要动态增长。
- 管理不当容易导致内存泄漏和内存碎片问题。

三、数据段（Data Segment）

1. 存储内容：

- 已初始化的全局变量和静态变量。
- 常量数据：如字符串常量等。
2. 特点：

- 在程序加载时分配内存，并在整个程序运行期间存在。
- 数据是可读可写的（对于已初始化的全局变量和静态变量）或只读的（对于常量数据）。

四、代码段（Code Segment）

1. 存储内容：

- 程序的机器代码：即函数和程序的指令。
2. 特点：

- 通常是只读的，以防止程序被意外修改。
- 在程序加载时被加载到内存中，并在整个程序运行期间存在。

五、内存映射段（Memory Mapping Segment）

1. 存储内容：

- 共享库：动态链接的库文件被映射到这个区域。
- 文件映射：可以将文件映射到内存中进行访问。
2. 特点：

- 可以提高程序对大文件的访问效率。
- 多个进程可以共享同一个内存映射区域，实现进程间通信。

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

malloc

malloc是c语言提供的一个动态内存开辟的函数：

void * malloc ( size_t size);

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。

• 如果开辟失败，则返回一个 NULL 指针，因此malloc的返回值一定要做检查。

• 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。

• 如果参数 size 为0，malloc的行为标准是未定义的，取决于编译器

calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

void * calloc ( size_t num, size_t size);

• 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。

• 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0

realloc

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

• 有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型如下：

void * realloc ( void * ptr, size_t size);

• ptr 是要调整的内存地址

• size 调整之后新大小

• 返回值为调整之后的内存起始位置。

• 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

• realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

◦ 情况1：原有空间之后有足够大的空间

◦ 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1

当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址

free

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

void free ( void * ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。

• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

以上的几个函数都声明在stdlib.h的头文件中

3.C++内存管理方式

C 语言内存管理方式在 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

使用new开辟空间

void Test()
{// 动态申请一个int类型的空间int* ptr1 = new int;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int* ptr2 = new int(10);// 动态申请3个int类型的空间int* ptr3 = new int[3];delete ptr1;delete ptr2;delete[] ptr3;
}

使用new开辟空间是不需要强制类型转换的

C语言使用free函数来释放空间，但在C++中使用delete操作符

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。

在C++98中并不支持初始化new数组，但C++11后允许使用大括号{}来初始化。

	int* p1 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5};int* p2 = new int[10] {};delete[] p1;delete[] p2;

使用 new 初始化数组时如果使用大括号，对于基本数据类型会进行值初始化，具体表现为：

- 对于内置数值类型，如 int 、 double 等，初始化为 0。
- 对于指针类型，初始化为 nullptr 。

对于自定义类类型，会调用该类的默认构造函数进行初始化，如果没有默认构造函数则会报错。

3.2 new和delete操作自定义类型

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 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);A* p3 = new A;A* p4 = new A[10];free(p1);delete p2;free(p3);delete[] p4;// 内置类型是几乎是一样的int* p5 = (int*)malloc(sizeof(int)); // Cint* p6 = new int;free(p5);delete p6;return 0;
}

对于自定义类型new开辟的空间不仅会调用构造函数还会调用析构函数，但内置类型是一样的

总结：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。

注意：new/delete和malloc/free要匹配使用，不建议混着用，new出来的对象free有的编译器会崩溃

不仅如此，new[]出来的，如果不使用delete[],而去使用delete的话也会崩。

所以建议匹配使用，不要混着用，会有风险。

4. operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数

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 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)

通过上述两个全局函数的实现知道，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。

C语言申请空间失败处理错误的方式：返回值+错误码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void)
{char* p1 = (char*)malloc(1024u * 1024u * 1024u *2u);if (p1 == nullptr) {printf("%d\n", errno);perror("malloc fail");exit(-1);} else {printf("%p\n", p1);}return 0;
}

而C++申请空间失败处理错误的方式：一般是抛异常——try catch(后面会详细讲)

#include <iostream>
using namespace std;int main(void)
{char* p2 = nullptr;try {char* p2 = new char[1024u * 1024u * 1024u * 2u - 1];}catch (const exception& e) {cout << e.what() << endl;}printf("%p\n", p2);return 0;
}

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函数完成N个对

象空间的申请

2. 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

6. 定位new表达式(placement-new) （了解）

“定位 new”在 C++中是一种较为复杂的操作。
一、定义

“定位 new”允许在已经分配的内存上构造对象，而不是像普通的“new”操作符那样在堆上动态分配新的内存空间并构造对象。它使用 new (place_address) type 的语法格式，其中 place_address 是一个指向已分配内存的指针。

二、使用场景

1. 内存池管理

- 在一些需要高效内存管理的场景中，如游戏开发、高性能服务器等，可以预先分配一块较大的内存作为内存池。当需要创建对象时，使用定位 new 在内存池中构造对象，避免频繁地进行动态内存分配和释放，从而提高性能。
- 例如，一个游戏引擎可能会为游戏中的角色预先分配一块内存，当新的角色被创建时，使用定位 new 在这块内存上构造角色对象。
2. 对象复用

- 有时候需要重复使用一些对象，而不是不断地创建和销毁它们。可以将这些对象放在一个对象池中，当需要使用时，使用定位 new 在已回收的对象内存上重新构造对象。
- 比如，在数据库连接池中，当一个连接被释放回池中后，可以使用定位 new 在该连接对象的内存上重新构造连接状态，以备下次使用。
3. 特定内存布局需求

- 在某些情况下，可能需要将对象放置在特定的内存地址上，以满足硬件或其他特殊要求。定位 new 可以满足这种需求。
- 例如，在与硬件设备交互的底层编程中，可能需要将某些数据结构放置在特定的内存地址，以便硬件能够直接访问。

总结一下：

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。

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()
{// p1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* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参p1->~A();free(p1);A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operator delete(p2);return 0;
}