C/C++ 内存管理详解
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前言
在软件开发过程中，内存管理是一个非常重要的环节。对于 C 和 C++ 这两种编程语言，它们都拥有独特的内存管理机制，理解这些机制对于编写高效、健壮的程序至关重要。本文将详细讲解 C/C++ 内存管理相关的内容，并重点分析不同内存分配方式的区别和使用场景。
1. C/C++ 内存分布
在 C 和 C++ 中，内存可以分为多个区域，包括栈、堆、数据段、代码段等。这些区域分别用来存储不同类型的数据。通过以下示例代码，我们可以直观地理解这些区域的作用：
int globalVar = 1; // 全局变量 static int staticGlobalVar = 1; // 静态全局变量 void Test() { static int staticVar = 1; // 静态局部变量 int localVar = 1; // 局部变量 int num1[10] = {1, 2, 3, 4}; // 局部数组 char char2[] = "abcd"; // 字符数组 const char* pChar3 = "abcd"; // 字符指针常量 int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); // 动态分配内存 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 动态分配并初始化 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4); // 重新分配内存 free(ptr1); // 释放内存 free(ptr3); }
以下是对应变量在内存中的分布情况：
| 变量名 | 存储位置 | 存储段 |
globalVar |
全局变量 | 数据段（静态区） |
staticGlobalVar |
静态全局变量 | 数据段（静态区） |
staticVar |
静态局部变量 | 数据段（静态区） |
localVar |
局部变量 | 栈 |
num1 |
局部数组 | 栈 |
char2 |
字符数组 | 栈 |
*char2 |
数组元素存储位置 | 栈 |
pChar3 |
指针变量 | 栈 |
*pChar3 |
常量字符串 “abcd” | 代码段（常量区） |
ptr1 |
指针变量 | 栈 |
*ptr1 |
动态分配内存 | 堆 |
ptr2 |
指针变量 | 栈 |
*ptr2 |
动态分配内存 | 堆 |
ptr3 |
指针变量 | 栈 |
*ptr3 |
动态分配内存 | 堆 |
内存区域分类：
介绍主要的几个：
- 栈（Stack）：存储局部变量（如
localVar），以及函数调用时的参数和返回值。 - 堆（Heap）：存储动态分配的内存（如通过
malloc、calloc、realloc分配的内存） - 数据段（Data Segment）：存储全局变量和静态变量（如
globalVar和staticGlobalVar）。 - 代码段（Code Segment）：存储程序的可执行代码以及只读常量（如
pChar3所指向的字符串）。
2. C语言中的动态内存管理
C 语言提供了几种用于动态分配内存的函数：malloc、calloc、realloc 和 free。这些函数用于在程序运行时动态地分配和释放内存。
2.1 malloc、calloc 和 realloc 的区别
- malloc：用于分配指定大小的内存块，内存中的内容未初始化。
- calloc：类似于
malloc，但会将内存初始化为零。它的参数为元素的数量和每个元素的大小。
- realloc：用于调整之前分配的内存块的大小，如果新大小大于原大小，可能会移动内存块的位置。
示例代码：
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); // 分配4个int类型大小的内存块 int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 分配并初始化4个int类型大小的内存块 int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4); // 重新分配内存 free(ptr1); free(ptr3);
2.2 malloc 实现原理
malloc底层通常通过操作系统的brk或mmap系统调用分配内存。具体实现可能因平台和 C标准库的不同而有所区别。在 GNU C 库（glibc）中，
malloc通过维护一个自由链表来跟踪已分配和未分配的内存块，并根据请求的大小寻找合适的内存块进行分配。
3. C++ 内存管理
C++ 继承了 C 语言的内存管理方式，并在此基础上引入了 new 和 delete 操作符，提供更方便的动态内存管理机制。与 malloc 和 free 不同，new 和 delete 适用于对象的动态内存分配，并且会自动调用构造函数和析构函数。
3.1 new 和 delete 操作符
在 C++ 中，new 和 delete 操作符可以用于动态分配和释放内置类型（如 int、float 等）的内存。对于单个变量和数组，使用 new 和 delete 具有一些特定的规则，特别是在内存初始化和释放时。以下是对 new 和 delete 及其在数组中的使用进行的详细解析。
示例代码：
#include <iostream> int main() { // 使用 new 动态分配单个 int，未初始化 int* ptr = new int; // 分配内存，未初始化，内容是随机值 std::cout << "未初始化的值: " << *ptr << std::endl; // 使用 new 动态分配并初始化为 0 int* ptrZero = new int(); // 初始化为 0 std::cout << "初始化为 0 的值: " << *ptrZero << std::endl; // 使用 new 动态分配并初始化为 5 int* ptrValue = new int(5); // 初始化为 5 std::cout << "初始化为 5 的值: " << *ptrValue << std::endl; // 释放动态分配的单个内存 delete ptr; delete ptrZero; delete ptrValue; // 使用 new 动态分配数组，未初始化 int* arr = new int[5]; // 分配5个元素的数组，未初始化，内容是随机值 for (int i = 0; i < 5; ++i) { std::cout << "arr[" << i << "] = " << arr[i] << std::endl; } // 使用 new 动态分配并初始化数组 int* arrInit = new int[5]{1, 2, 3, 4, 5}; // 初始化数组，指定每个元素的初始值 for (int i = 0; i < 5; ++i) { std::cout << "初始化的 arrInit[" << i << "] = " << arrInit[i] << std::endl; } // 释放动态分配的数组 delete[] arr; delete[] arrInit; return 0; }
代码解析：
1. 单个变量分配（未初始化）：
int* ptr = new int;
- 作用：动态分配一个
int，但不进行初始化。此时分配的内存包含随机值（未定义的内容）。 - 输出：
*ptr中的值是不确定的，可能会输出垃圾值。
2. 单个变量分配并初始化为 0：
int* ptrZero = new int();
- 作用：通过使用
()，将分配的int初始化为 0。 - 输出：
*ptrZero输出的值为 0。
3. 单个变量分配并初始化为指定值：
int* ptrValue = new int(5);
- 作用：使用
new初始化分配的int为指定值 5。 - 输出：
*ptrValue的值为 5。
4. 释放内存：
delete ptr; delete ptrZero; delete ptrValue;
- 作用：
delete用于释放通过new分配的内存。如果不及时释放，可能会导致内存泄漏。每次new都必须有对应的delete。
5. 数组分配（未初始化）：
int* arr = new int[5];
- 作用：动态分配一个包含 5 个
int元素的数组。数组中的元素不会被初始化，内存中包含随机值。 - 输出：输出数组中每个元素
arr[i]，这些值是未定义的。
6. 数组分配并初始化：
int* arrInit = new int[5]{1, 2, 3, 4, 5};
- 作用：通过
{}进行数组初始化，指定数组中每个元素的初始值。 - 输出：
arrInit数组的元素分别被初始化为{1, 2, 3, 4, 5}，并依次输出。
7. 释放数组内存：
delete[] arr; delete[] arrInit;
- 作用：对于通过
new分配的数组，必须使用delete[]来释放内存。注意，不能使用delete来释放数组，否则会导致未定义行为。
关键点总结：
new的单个元素分配：
- 未初始化：
new int分配的内存未初始化，包含随机值。 - 初始化为 0：
new int()分配的内存被初始化为 0。 - 初始化为指定值：
new int(5)将分配的内存初始化为指定的值（如 5）。
new的数组分配：
- 未初始化：
new int[5]分配的数组元素不进行初始化，包含随机值。 - 使用
{}进行数组初始化：new int[5]{1, 2, 3, 4, 5}将数组每个元素初始化为指定值。
- 内存释放：
- 单个元素释放：使用
delete释放通过new分配的单个元素内存。 - 数组释放：必须使用
delete[]来释放通过new分配的数组内存。否则可能会引发内存管理错误或未定义行为。
- 区别于
malloc/free：
new分配并初始化内存，而malloc只负责分配内存，不会进行初始化。delete负责释放内存并调用析构函数（如果是类对象），而free只负责释放内存。
4. operator new 与 operator delete
operator new和operator delete是系统提供的全局函数，分别用于动态分配和释放内存。它们实际上是new和delete操作符的底层实现。在 C++ 中，new操作符首先调用operator new分配内存，然后调用构造函数初始化对象；而delete操作符首先调用析构函数清理对象，然后调用operator delete释放内存。
4.1 operator new 的实现原理
operator new 的实现原理可以用如下代码描述：
void* operator new(size_t size) { void* p; // 尝试分配 size 字节的内存 while ((p = malloc(size)) == nullptr) { // 如果 malloc 分配失败，尝试执行内存不足的应对措施 if (_callnewh(size) == 0) { // 如果没有用户设置的处理措施，抛出 std::bad_alloc 异常 throw std::bad_alloc(); } } return p; }
可以看到，operator new 本质上是通过 malloc 来分配内存的。不同的是，如果内存分配失败，operator new 会尝试调用用户设置的内存不足处理程序（_callnewh()），而 malloc 只是简单返回 NULL。
4.2 operator delete 的实现原理
operator delete 的实现则相对简单，它直接调用 free 来释放内存：
void operator delete(void* p) { free(p); }
这两个类似的就不再介绍了
new T[N]的原理：
- 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
- 在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理：
- 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
- 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释
放空间
5. new 和 delete 的工作过程
5.1 内置类型的内存管理
对于内置类型（如 int、float 等），new 和 malloc 在内存分配上是类似的。它们都分配指定大小的内存并返回指向该内存的指针。然而，new 与 malloc 的不同之处在于：
- 单个元素的分配：
new可以分配单个内置类型的内存，而malloc只能分配一块指定大小的内存。 - 异常处理：当内存分配失败时，
new会抛出异常，而malloc则返回NULL。
示例代码：
int* p1 = new int; // 分配单个int类型空间 delete p1; // 释放内存 int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); // 使用malloc分配内存 free(p2); // 释放内存
5.2 自定义类型的内存管理
对于自定义类型，new 和 delete 的作用更加明显，因为它们除了分配和释放内存之外，还会自动调用构造函数和析构函数。这一特性使得 new 和 delete 成为管理复杂对象的首选。
5.2.1 new 的工作过程：
- 调用
operator new分配内存：为对象分配所需的内存。 - 在已分配的内存上调用构造函数：通过构造函数来初始化对象。
5.2.2 delete 的工作过程：
- 调用析构函数：析构函数会清理对象占用的资源（如释放动态分配的内存等）。
- 调用
operator delete释放内存：通过free或类似的机制将内存归还给操作系统。
示例代码：
class A { public: A(int a) : _a(a) { std::cout << "Constructor called" << std::endl; } ~A() { std::cout << "Destructor called" << std::endl; } private: int _a; }; int main() { A* obj = new A(10); // 动态分配并调用构造函数 delete obj; // 调用析构函数并释放内存 }
6. malloc/free 和 new/delete 的区别
malloc/free 和 new/delete 都是从堆上分配内存，并且都需要用户手动释放，但它们之间存在一些关键区别：
6.1 语法上的区别
malloc/free是函数：malloc和free是 C 标准库中的函数，用于动态内存管理。new/delete是操作符：new和delete是 C++ 的内置操作符，主要用于对象的动态内存管理。
6.2 初始化的区别
malloc不会初始化内存：malloc只是分配一块内存，而不负责初始化内容。如果想初始化，必须手动进行赋值操作或使用calloc。new会调用构造函数：new不仅分配内存，还会调用构造函数来初始化对象，因此适用于分配类对象时的动态内存管理。
6.3 内存分配失败的处理方式
malloc分配失败返回NULL：如果malloc无法分配内存，它会返回NULL，程序员需要手动检查返回值。
new分配失败抛出std::bad_alloc异常：当new失败时，它会抛出std::bad_alloc异常，程序员可以使用try-catch语句捕获异常，进行相应处理。
6.4 自定义类型的对象分配
malloc/free不会调用构造函数和析构函数：malloc仅仅分配内存，无法初始化对象，也不会调用析构函数来清理对象的资源，因此需要手动处理对象的初始化和销毁。
new/delete会调用构造函数和析构函数：new在分配内存后会调用构造函数，delete在释放内存前会调用析构函数，适合处理类对象的动态内存分配和释放。
6.5 异常安全性与内存泄漏问题
new/delete提供更好的异常安全性：由于new操作符会在对象构造失败时自动释放分配的内存，并抛出异常，因此相比malloc/free，new/delete更安全，能有效避免内存泄漏。
malloc/free的内存管理需要额外小心：使用malloc时，由于不调用构造和析构函数，程序员需要手动处理内存释放和对象销毁，容易出现内存泄漏。
示例代码对比：
// 使用 malloc/free A* obj1 = (A*)malloc(sizeof(A)); // 仅仅分配内存，不调用构造函数 free(obj1); // 仅仅释放内存，不调用析构函数 // 使用 new/delete A* obj2 = new A(10); // 分配内存并调用构造函数 delete obj2; // 调用析构函数并释放内存
7. 定位 new 表达式 (Placement-new)
定位 new 表达式是一种高级用法，它允许在已分配的内存上构造对象，而不需要重新分配内存。通常用于内存池、嵌入式系统或者需要精细控制内存分配的场景中。
7.1 定位 new 的使用方式
定位 new 表达式的语法如下：
new (place_address) type;
其中 place_address 是要放置对象的内存地址，type 是要构造的对象类型。通常用在已经手动分配的内存（比如通过 malloc）上，避免重复分配内存。
示例代码：
class A { public: A(int a = 0) : _a(a) { std::cout << "A() called" << std::endl; } ~A() { std::cout << "~A() called" << std::endl; } private: int _a; }; int main() { void* buffer = malloc(sizeof(A)); // 手动分配一块内存 A* obj = new(buffer) A(10); // 在指定的内存上构造对象 obj->~A(); // 手动调用析构函数 free(buffer); // 释放内存 }
7.2 定位 new 的注意事项
- 手动调用析构函数：由于定位
new表达式不负责释放内存，因此在对象生命周期结束时，必须显式调用对象的析构函数来清理资源。
- 内存释放：使用定位
new时，必须手动释放内存（如使用free）。定位new仅在已经存在的内存上构造对象，不会负责内存的分配与释放。
7.3 定位 new 的应用场景
- 内存池管理：在高性能应用中（如游戏引擎、嵌入式系统），为了减少频繁的内存分配和释放，通常使用内存池。定位
new允许在预分配的内存中灵活构造和销毁对象，提高了内存管理的效率。 - 嵌入式系统：在内存受限的环境中，定位
new可以避免重复分配内存，节省开销，且提高了系统的性能。
结语
内存管理一直是 C/C++ 程序开发中至关重要的环节，它影响着程序的性能、稳定性与安全性。在本文中，我们深入探讨了 C/C++ 的内存结构、动态内存管理，以及 malloc/free 和 new/delete 的异同。通过这些详解，你不仅能够理解如何在不同的内存区域中分配和释放资源，还能够掌握如何在复杂的系统中有效管理对象的生命周期。对于我们每一个开发者来说，灵活运用这些内存管理技术，可以帮助你写出更加高效、可靠的程序。无论是面对日常开发中的内存泄漏问题，还是在高性能场景中构建内存池优化性能，都能让你在程序设计上更加游刃有余。
以上就是关于【C++篇】深入内存迷宫：C/C++ 高效内存管理全揭秘的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，或者私信我也是可以的啦，您的支持是我创作的最大动力！❤️
