C/C++内存管理(new，delete)
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operator new 与operator delete函数
C/C++内存分布
我们来详细讲解 C/C++ 程序的内存分布。理解内存布局对于写出高效、安全的代码至关重要，尤其是在处理指针、动态内存和管理资源时。
我们先来看下面的一段代码和相关问题
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); }来回答以下问题
1. 选择题： 选项: A.栈 B.堆 C.数据段 D.代码段 globalVar在哪里？__C__ staticGlobalVar在哪里？__C__ staticVar在哪里？__C__ localVar在哪里？__A__ num1 在哪里？__A__ char2在哪里？__A__ *char2在哪里？__A__ pChar3在哪里？__A__ *pChar3在哪里？__D__ ptr1在哪里？__A__ *ptr1在哪里？__B__ 2. 填空题： sizeof(num1) = __40__; sizeof(char2) = __5__; strlen(char2) = __4__; sizeof(pChar3) = __4/8__; strlen(pChar3) = __4__; sizeof(ptr1) = __4/8__;
图片说明：
- 栈又叫堆栈--非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
- 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口 创建共享共享内存，做进程间通信。
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
- 数据段--存储全局数据和静态数据。
- 代码段--可执行的代码/只读常量。
C/C++程序内存分为五个区域：
1. 代码区
存放程序执行的二进制代码
只读不可修改
2. 全局/静态区
存放全局变量和静态变量
程序启动就存在，自动初始化
3. 栈区
存放局部变量和函数参数
编译器自动管理内存
容量小但速度快
函数结束自动释放
4. 堆区
存放动态分配的内存
程序员手动管理（new/delete）
容量大但速度慢
需要手动释放
5. 常量区
存放字符串常量
只读不可修改
C语言中动态内存管理方式
C 语言提供了一套标准库函数来在堆上动态分配和释放内存，这使得我们可以在程序运行时根据需要分配任意大小的内存。
主要通过以下四个标准库函数实现，它们都定义在 <stdlib.h> 头文件中。
函数 用途 特点 malloc 分配指定大小的内存块 不初始化内存内容 calloc 分配指定数量和大小的内存块 将内存初始化为 0 realloc 调整已分配内存块的大小 可以扩大或缩小 free 释放已分配的内存块 防止内存泄漏 代码演示:
void Test() { int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int)); free(p1); int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int)); // 尝试重新分配内存 int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10); if (p3 != NULL) { // realloc 成功，p2 指向的旧内存已被释放，只需释放 p3 free(p3); } else { // realloc 失败，p2 指向的内存仍然有效，需要释放 p2 free(p2); } }
C++中动态内存管理
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
new/delete操作内置类型
void Test() { // 动态申请一个int类型的空间 int* ptr4 = new int; // 动态申请一个int类型的空间并初始化为10 int* ptr5 = new int(10); // 动态申请10个int类型的空间 int* ptr6 = new int[3]; delete ptr4; delete ptr5; delete[] ptr6; }
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。
new / delete 操作自定义类型
new/delete 操作内置类型和自定义类型有本质区别，主要体现在构造函数和析构函数的调用上。
下面用一段代码演示：
#include <iostream> #include <cstring> class Student { public: // 构造函数 Student(const char* name, int age) : age(age) { this->name = new char[strlen(name) + 1]; strcpy(this->name, name); std::cout << "构造函数: " << name << std::endl; } // 默认构造函数 Student() : name(nullptr), age(0) { std::cout << "默认构造函数" << std::endl; } // 析构函数 ~Student() { std::cout << "析构函数: "; if (name) { std::cout << name; delete[] name; // 释放动态分配的内存 } std::cout << std::endl; } void display() const { if (name) { std::cout << "姓名: " << name << ", 年龄: " << age << std::endl; } else { std::cout << "未初始化的学生" << std::endl; } } private: char* name; int age; };单个对象操作
void single_object_demo() { // new 会调用构造函数 Student* student = new Student("张三", 20); student->display(); // delete 会调用析构函数 delete student; student = nullptr; } // 构造函数: 张三 姓名: 张三, 年龄: 20 析构函数: 张三数组操作
void array_demo() { // 分配3个Student对象的数组 // 会调用3次默认构造函数 Student* students = new Student[3]; for (int i = 0; i < 3; i++) { students[i].display(); } // 会调用3次析构函数 delete[] students; } // 默认构造函数 默认构造函数 默认构造函数 未初始化的学生 未初始化的学生 未初始化的学生 析构函数: 析构函数: 析构函数:总结：
内置类型
new：只分配内存，初始化可选
delete：只释放内存本质：纯内存操作
自定义类型
new：分配内存 + 调用构造函数
delete：调用析构函数 + 释放内存本质：内存管理 + 对象生命周期管理
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。
注：new和operator new 不构成函数重载，这是两个函数，delete同理
/* 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 bytes void* 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_FINALLY return; } /* 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。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。operator new本质是封装了malloc。operator delete本质是封装了free。
具体差别：
概念 说明 new 语言关键字，完成内存分配+对象构造 delete 语言关键字，完成对象析构+内存释放 operator new 函数，只负责内存分配 operator delete 函数，只负责内存释放 代码演示：
#include <iostream> class MyClass { public: MyClass() { std::cout << "构造函数\n"; } ~MyClass() { std::cout << "析构函数\n"; } }; int main() { // new 表达式（做两件事） MyClass* obj1 = new MyClass; // 1. 调用 operator new 分配内存 // 2. 调用 MyClass 构造函数 delete obj1; // delete 表达式 // operator new（只做一件事） void* memory = operator new(sizeof(MyClass)); // 只分配内存，不调用构造函数 MyClass* obj2 = static_cast<MyClass*>(memory); operator delete(memory); // 只释放内存，不调用析构函数 return 0; } // 构造函数 析构函数
new和delete的实现原理
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
自定义类型
new的原理
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
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
定位new表达式（placement-new）
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 Test
{
public:
Test(int date = 2)
: _data(date)
{
cout << "Test():" << this << endl;
}
~Test()
{
cout << "~Test():" << this << endl;
}
private:
int _data;
};
int main()
{
// pt现在指向的只不过是与Test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
Test* pt1 = (Test*)operator new(sizeof(Test));
//new (place_address) type
new(pt1)Test; // 注意：如果Test类的构造函数有参数时，此处需要传参
//释放空间delete的过程：析构+operator = new
pt1->~Test();
operator delete(pt1);
//new(place_address) type(initializer - list)
Test* pt2 = (Test*)operator new(sizeof(Test));
new(pt2)Test(10);
//释放空间delete的过程：析构+operator = new
pt2->~Test();
operator delete(pt2);
//对于pt1的操作，等价于如下，pt2同理：
/* Test* pt1 = new Test;
delete pt1; */
}常见面试题
malloc/free和new/delete的区别
共同点：
都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
不同点：malloc和free是函数，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申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可
malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型
malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常（底层区别）
申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理（底层区别）
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