目录
- 前言
- 一. C/C++内存分布
- 二. C语言中动态内存管理方式
- 三. C++中动态内存管理
- 四. operator new与operator delete函数
- 五. new和delete的实现原理
- 1.内置类型
- 2. 自定义类型
- 六. 定位new表达式(placement-new)
- 七. 常见面试题
- 总结
前言
在C/C++编程中，内存管理是至关重要的一个环节。程序员需要合理地分配和释放内存，以确保程序能够正常运行，避免内存泄漏和崩溃。本文将深入探讨C/C++内存管理机制，从内存分布、动态内存管理方式、new和delete的实现原理到定位new表达式，以及malloc/free和new/delete的区别，全面解析C/C++内存管理的方方面面。
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正文开始
一. C/C++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？____ 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 strlen(pChar3) = ____;4
sizeof(ptr1) = ____;4
3. sizeof 和 strlen 区别？
char2会在栈中存储, 而*char2内字符串在常量区, 但是因为是使用数组,所以会将abcd\0从常量区拷贝一份到栈区的数组
sizeof 和 strlen 区别？
- 定义和类型
sizeof：是一种运算符，用于计算对象或类型所占的空间大小（以字节为单位）。它在编译时就已经确定了值，并将结果在编译时嵌入到程序中。在头文件中，sizeof 通常被 typedef 为 unsigned int。
strlen：是一种函数，用于计算字符串的长度，即字符串中字符的数量（不包括结束符 \0）。它定义在 <string.h> 头文件中，其原型为 size_t strlen(const char* str);。strlen 在运行时才能计算字符串的长度。 - 用法
sizeof：
可以用于基本数据类型（如 int、float 等）。
可以用于数组、指针、结构体、联合等复合数据类型。
可以直接作用于变量名或类型名，而不需要变量名或类型名被括号括起来（但使用括号可以提高代码的可读性）。
对于指针，sizeof 返回的是指针本身的大小，而不是指针所指向的内存区域的大小。
strlen：
只能用于字符型指针（char*），且该指针必须指向以 \0 结尾的字符串。
strlen 的参数必须是字符串的起始地址。 - 功能和结果
sizeof：
返回的是对象或类型所占的空间大小，单位是字节。
对于数组，sizeof 返回的是整个数组所占的空间大小，包括所有元素和末尾的 \0（如果数组是字符数组的话）。
对于指针，sizeof 返回的是指针本身的大小，与指针所指向的数据类型无关。
strlen：
返回的是字符串中字符的数量，不包括结束符 \0。
如果传入的指针不是以 \0 结尾的，strlen 会继续读取内存直到遇到 \0 为止，这可能会导致越界访问。
【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。（Linux课程如果没学到这块，现在只需要了解一下） - 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。
二. C语言中动态内存管理方式
malloc/calloc/realloc/free
void Test ()
{
int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
free(p1);
// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
// 这里需要free(p2)吗？
free(p3 );
//不需要,如果realloc成功, 会在p2的基础上进行扩容, 返回的是p2
//如果扩容失败,realloc会自动释放p2的空间,然后再重新找一块更大的空间,然后返回这块空间的地址.
}
malloc/calloc/realloc的区别？
3. 使用场景
malloc：适用于需要动态分配内存，但不需要初始化内存内容的场景。
calloc：适用于需要动态分配内存，并且希望内存内容初始化为0的场景。calloc的初始化特性使得它在分配内存后无需再进行额外的初始化操作。
realloc：适用于已分配的内存块大小不足以满足当前需求，或者分配了过大的内存块需要缩减的场景。realloc能够调整内存块的大小，同时尽可能保留原内存块中的数据。
4. 注意事项
使用malloc、calloc和realloc分配的内存都必须通过free函数来释放，以避免内存泄漏。
realloc在调整内存块大小时，如果成功则返回新的内存块地址（可能与原地址相同），如果失败则返回NULL，但原内存块仍然保持有效。因此，在使用realloc时，通常需要用一个临时指针来接收realloc的返回值，并在检查返回值后再决定是否更新原指针。
calloc分配的内存块会被初始化为0，这可能会带来一些额外的性能开销。如果不需要初始化内存内容，使用malloc可能更加高效。
三. 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。
对于内置类型
int main()
{
//对于内置类型,除了用法方便,和malloc没什么区别
int* p1 = new int;
int* p2 = new int[10];
//默认不初始化, 但是可以初始化
int* p3 = new int(10);//初始化为10
int* p4 = new int[10] {1, 2, 3, 4};
delete p1;
delete[] p2;
return 0;
}
对于自定义类型
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{
cout << "A(int a)" << endl;
}
A(int a1, int a2)
{
cout << "A(int a1, int a2)" << endl;
}
A(const A& aa)
:_a(aa._a)
{
cout << "A(const A& aa)" << endl;
}
A& operator=(const A& aa)
{
cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
if (this != &aa)
{
_a = aa._a;
}
return *this;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
//对于自定义类型, new能够调用构造初始化,malloc不在适用
//A* p1 = new A;
//A* p2 = new A(2);//传参构造
//delete p1;//会调用析构函数
//delete p2;
A* p1 = new A[10];//连续申请10个空间
//会调用十次默认构造
//不想调用默认构造,下面是拷贝构造
A aa1(1);
A aa2(2);
A aa3(3);
A* p2 = new A[10]{ aa1,aa2,aa3 };
A* p3 = new A[10]{ 1,2,3,4,{6,7} };//也可以直接写,进行隐式类型转化
delete p1;
delete p2;
delete p3;
}
这里使用new进行内存开辟, 会自动调用它的构造函数, 使用delete也会自动调用它的析构函数
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。
//结论：不要错配使用，一定匹配使用，否则结果是不确定
int main()
{
//对于自定义类型,delete[]需要保存需要析构的次数
// 所以会多开辟四个字节进行存储析构的次数
// 然后释放空间的时候会-4释放掉多开辟的空间
// 而delete和free不会,所以会报错
//A* p1 = new A;
A* p2 = new A[10]; //44 or 40
delete[] p2;
delete p2;
free(p2);
//对于内置类型无影响
int* p3 = new int[10]; //40
//free(p3);
return 0;
}
四. 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 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。
五. new和delete的实现原理
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。
2. 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
六. 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
举个例子:
不通过new进行申请, 使用operator new, 跟malloc的用法一致, 只是前者会抛异常, 后者返回NULL, 那我们需要手动调用构造函数, 但是p1->A()这样写编译器不支持, 所以就需要用到定位new, 用法new(p1)A, 定位某个地址,进行调用其构造函数, 对于析构函数, 可以直接p1->~A()调用.
int main()
{
//A* p1 = new A;
//不想通过new进行申请,使用operator new需要手动调用构造函数
A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
//p1->A(); // 编译器不支持这样显示调用构造
//new(p1)A; // 对已有空间，显示调用构造
new(p1)A(10); // 对已有空间，显示调用构造
//后面回学到的内存池调用
//A* p1 = pool.alloc(sizeof(A));
//new(p1)A(10); // 对已有空间，显示调用构造
// delete p1
p1->~A();//析构编译器支持
operator delete(p1);
// new []
A* p2 = (A*)operator new[](sizeof(A)*10);
//new(p2)A[10]{1,2,3,4}; // 对已有空间，显示调用构造
for (int i = 0; i < 10; ++i)
new(p2 + i)A(i);
// delete[]
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
(p2 + i)->~A();
}
operator delete[](p2);
return 0;
}
七. 常见面试题
malloc/free和new/delete的区别
malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地
方是：
- 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，
如果是多个对象，[]中指定对象个数即可 - 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 - 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
总结
本文深入探讨了C/C++内存管理机制，从内存分布、动态内存管理方式、new和delete的实现原理到定位new表达式，以及malloc/free和new/delete的区别，全面解析了C/C++内存管理的方方面面。
理解C/C++内存管理机制对于编写高效、安全的代码至关重要。掌握本文所述内容，能够帮助你更好地理解程序运行时的内存分配和释放过程，避免内存泄漏、越界访问等问题，进而提升代码质量。
希望本文能够对你有所帮助，如果你有任何疑问，欢迎在评论区留言讨论。
完
