在C和C++中，高效的内存管理是编写性能优化和资源高效利用程序的关键。本文将深入探讨C/C++内存管理的各个方面，包括内存的分布、C语言和C++中的动态内存管理方式，以及new和delete操作符的使用

C/C++内存分布

C和C++程序的内存可以分为以下几个区域：

• 栈（Stack）：自动存储局部变量。当函数被调用时，局部变量在栈上创建，函数返回时，这些变量被销毁。
• 堆（Heap）：用于动态内存分配。与栈不同，堆上的内存分配和释放需要手动管理。
• 全局/静态存储区：存放全局变量和静态变量。这部分内存在程序启动时分配，在程序结束时释放。
• 文字常量区：常量字符串等常量数据存放的地方。它们在程序生命周期内不变。
• 程序代码区：存放程序执行代码的内存区域。

 

 

理解这些区域对于避免内存泄漏和优化程序性能至关重要。

C语言中动态内存管理方式

C语言提供了几种动态内存管理的方法，包括：

• malloc：分配指定大小的内存块。分配的内存未初始化，可能包含垃圾数据。
• calloc：分配并初始化指定数量的内存块。初始化为零。
• realloc：重新分配之前分配的内存块的大小。
• free：释放之前分配的内存块。

这些函数允许程序在运行时根据需要分配和释放内存，但也需要开发者负责管理这些内存，以避免内存泄漏。

#include <stdlib.h>

void dynamicMemoryExample() {
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); // 分配内存
    if (ptr != NULL) {
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            ptr[i] = i; // 使用内存
        }
    }
    free(ptr); // 释放内存
}

 

C++中动态内存管理

C++提高了动态内存管理的抽象层次，通过new和delete操作符提供更为直观和安全的方式来处理内存。

• 使用new分配内存不仅会分配内存，还会调用对象的构造函数，这提供了初始化对象的机会。
• 使用delete释放内存时，会调用对象的析构函数，然后释放内存，这提供了清理资源的机会

#include <iostream>

void dynamicMemoryExampleInCpp() {
    int* ptr = new int(10); // 动态分配内存并初始化
    std::cout << *ptr << std::endl; // 使用内存
    delete ptr; // 释放内存，并调用析构函数
}

 

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;
}

 

 

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 = new A(1);
 free(p1);
 delete p2;
 // 内置类型是几乎是一样的
 int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
 int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
 A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
 A* p6 = new A[10];
 free(p5);
 delete[] p6;
 return 0;
}

 

operator new与operator delete函数

在C++中，new和delete不仅仅是操作符，它们背后实际上是调用了operator new和operator delete函数。这两个函数负责分配和释放动态内存。重要的是，C++允许开发者重载这些函数来提供自定义的内存管理策略。

自定义内存管理

自定义内存管理通常用于优化性能，例如通过实现特定的内存池来避免频繁地向操作系统请求小块内存。这样可以显著减少内存碎片以及提高内存分配和释放的效率。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

void* operator new(size_t size) {
    std::cout << "Custom new for size: " << size << std::endl;
    return malloc(size);
}

void operator delete(void* memory) noexcept {
    std::cout << "Custom delete" << std::endl;
    free(memory);
}

通过这个简单的例子，我们看到了如何拦截所有的new和delete调用，以便在分配和释放内存时执行自定义逻辑

new和delete的实现原理

new操作符在底层调用operator new函数来分配内存，并在成功分配内存后调用对象的构造函数。相似地，delete操作符首先调用对象的析构函数，然后调用operator delete函数来释放内存。

这种分离使得new和delete不仅仅关注内存的分配和释放，还能确保对象生命周期的正确管理。

 

也就是说当调用delete[]的时候，地址的第一个字节处存放的是n,也就是需要调用n次析构，如果我们使用的是delete,默认从当前位置开始析构，那么位置就会出错。 

 

定位new表达式(placement-new)

定位new表达式是C++中的一个高级特性，允许在已分配的内存上构造对象。这对于内存池、缓存管理等场景非常有用，因为它允许重复使用已分配的内存来创建新对象，避免了频繁的内存分配和释放操作。

#include <new> // 必须包含这个头文件

char buffer[1024]; // 预分配内存

void placementNewExample() {
    int* p = new (buffer) int(10); // 在buffer上构造int对象
    // 使用p...
}

 

使用定位new表达式时，需要确保操作的内存足够大且正确对齐，以容纳指定类型的对象。

常见面试题

内存区域划分

问：请描述C/C++程序中的内存区域划分。

答：C/C++程序的内存分为栈、堆、全局/静态存储区、文字常量区和程序代码区。

动态内存管理

问：malloc和new的区别是什么？

答：malloc仅分配内存，不调用构造函数；new分配内存的同时调用构造函数初始化对象。相应地，free与delete的区别在于delete会先调用析构函数再释放内存。

定位new

问：什么是定位new表达式，它有什么用途？

答：定位new表达式允许在已分配的内存上构造对象。这在需要在特定位置创建对象，或者在内存池、缓存管理等场景下重复使用内存时非常有用。

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通过本文，我们深入探讨了C/C++中的内存管理，从基本的内存区域划分到高级特性如定位new表达式，以及如何通过重载operator new和operator delete来实现自定义内存管理策略。理解这些概念不仅对于写出高性能的C/C++代码至关重要，也是面试中常见的问题。希望这篇博客能帮助你在C/C++内存管理方面达到新的高度！