C++ 2022 年 6 月 29 日

[C++] 超详细分析 C++内存分布、管理(new - delete)、C 和 C++ 内存管理关系、内存泄漏

在介绍详细 C++ 内存管理的方法之前，先简单做个铺垫，先介绍一下：C/C++程序内存区域的划分

C++ 内存管理约3819字 -- 阅读时间≈10分钟

一、C/C++ 内存分布

在介绍详细 C++ 内存管理的方法之前，先简单做个铺垫，先介绍一下：C/C++程序内存区域的划分

首先先分析以下这段代码，并且思考问题：

程序中所有的变量应该存储在什么区域？

不妨先分析一下，再继续阅读下面的文章

C/C++ 程序运行之后，程序中的数据的存储区域大致可以划分这样：

这张图可以展示出 C/C++ 程序数据在内存中的大致区域

栈 又叫 堆栈，一般存储 非静态局部变量、函数参数、返回值等等，向下增长(先使用高地址空间)
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，malloc、realloc、calloc开辟出的空间即存储在此，向上增长(先使用低地址空间)
数据段，语言中常称作 静态区 ，存储全局数据和静态数据
代码段，语言中常称作 常量区 ，存储可执行的代码(二进制代码)、只读常量

看完数据的存储区域，上面的问题就可以完美的解决了！：

globalVar、staticGlobalVar、staticVar 很明显属于全局或静态变量，所以应该存储在静态区

localVar、num1、char2、pChar3、ptr1、ptr2、ptr3 都是在函数定义的局部变量，所以存储在 栈区 *char2 是对数组名解引用，即为数组中第一个元素，用常字符串赋值数组，是将字符串数据拷贝至数组中，不是直接将常量放至数组中，所以*char2 也存储在 栈区

*pChar3，是对 指针pChar3 的解引用，而pChar3指向了常字符串，所以*pChar3存储在 常量区

*ptr1、*ptr2、*ptr3 都是动态开辟处的空间，所以存储在 堆区

分析完上面的问题以及程序数据在内存中的存储区域，应该已经对 C/C++的内存分布有了一定的了解

下面就正式进入整体 C/C++ 内存管理

二、C/C++ 动态内存管理

C语言为动态内存管理提供了四个函数malloc、calloc、realloc、free

而C++，由于增添了许多特性，即使依旧可以延用C语言的动态管理，但是总有无法处理的地方所以 C++ 又提供了两个新的动态管理的关键词 new 和 delete

2.1 C语言动态内存管理

malloc

void* malloc (size_t size);

作用：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，开辟失败则返回空指针

使用注意：返回值类型为 空类型指针，所以使用时需要指定指针类型

malloc 开辟出的空间不初始化

calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

作用：

向内存申请 num 个大小为 size 的连续可用的空间，并将每一字节初始化为0，返回指向这块空间的指针，开辟失败则返回空指针

使用方式与 malloc 类似

realloc

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

作用：对已经动态开辟出的内存空间进行大小上的调整，返回调整后空间的地址

使用：ptr 传入已经动态开辟的内存空间的首地址，size 需要调整为的大小

注意：size 需要传入需要调整到的大小比如，原本开辟了 5个int 大小的空间，想要扩充到 10个int 大小，size就传入10

realloc 扩充空间，默认从旧空间向后扩充

除非旧空间后的空间不够扩充了，则会完全开辟一块新的指定大小的空间，并将旧空间数据拷贝至新空间

返回新空间的地址

free

void free (void* ptr);

作用：释放动态开辟的内存空间，防止内存泄露

使用：free(内存空间地址)

注意：free只能释放 动态开辟的内存空间，且只能从头释放

2.2 C++ 动态内存管理

C++ 补充了 new 和 delete 作为自己的动态内存管理工具

不过 new 和 delete 的实现也是嵌套了 malloc和free 的，更再此基础上做了补充以完善C++的内存管理

new 和 delete 的用法

new 和 delete 的用法比 C语言动态内存管理的方法简单许多

new 和 detele 都属于 C++ 中的关键词，而不是函数，所以与C语言中 malloc 等用法不同

虽然用法不同，但其实对内置类型来说，不论使用 malloc 还是 new ，结果都是一样的，没有一点差别

new detele 与 malloc free的差别，在对自定义类型的操作上

new delete 和 new [] delete[] 是对应的

new delete 用于申请和释放单个空间，new [] delete[] 用于申请和释放连续空间，使用时也必须对应

new 和 detele 操作自定义类型空间的使用，与操作内置类型的使用相同

在对自定义类型空间的操作上，new delete 与 malloc free 相比，有一个非常适合 C++语法的作用就是 new 和 detele 在操作自定义类型的空间时，会调用 构造函数和析构函数；而 malloc 和 free 不会

new 和 delete 增添了对类的适配，这是 malloc 和 free 没有的

调试

所以，new 开辟自定义类型的空间，实际对象的实例化，也是调用其构造函数实现的

new 开辟了一块空间，并调用构造函数在这块空间中实例化了对象

如果是对下面这个类动态开辟空间：

使用 new 动态开辟：

除了开辟空间之外，还会调用构造函数对对象初始化

使用 malloc 动态开辟：

只负责开辟空间，不调用构造函数，对象不初始化

对象实例化之后，在对齐进行初始化就不容易了

因为对象的成员一般会设为私有的，所以在对象之外无法操作，除非再实现一个初始化函数，得不偿失

并且，构造函数也不能手动调用，所以 malloc 自定义类型一般不用

operator new 和 operator delete

operator new 和 operator delete是系统提供的全局函数

在实际使用new 和 delete 时 new其实是在底层调用operator new来申请空间，delete则是在底层通过调用operator delete来释放空间的

而这两个全局函数的内容其实也是调用了 malloc 和 free，并在此基础上进行了改造：

operator new:

operator delete:

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

这两个全局函数可以直接调用，也可以通过new 和 delete 调用直接调用的方法与malloc相同

int* pa = (int*)operator new(sizeof(int));

像这样使用 operator new 就可以申请一块空间

但是对于自定义类型来说，operator new 就只能做到申请空间而已，作用与malloc一样，无法调用对象的构造函数初始化

而 new 可以，所以 new 可以被看作 operator new + 构造函数

同理，delete 也可以被看作 operator delete + 析构函数

抛异常

什么是抛异常？

与 malloc 申请空间失败返回空指针不同，new 申请空间失败的表现是 抛异常

有抛异常，就需要接收异常，否则程序会直接崩溃

这也是为什么 new 不需要像 malloc 一样，在申请空间结束之后检查是否申请成功

抛异常演示：

如果接收了抛出的异常：

operator new 和 operator delete 的类专属重载

介绍过 new 和 delete 后，其实使用 new和delete 会调用两个全局函数

不过这两个全局函数是 可以在类中重载 的，这就意味着使用new申请自定义类型的空间时，其实是可以调用重载的operator new进行申请意思就是，可以手动设置 new 申请自定义空间的方式

这是一个非常重要的特性

可根据这个特性实现：申请自定义类型空间时，不通过 堆区 而是 从内存池中申请空间

进而大幅度提升new申请自定义类型空间的效率

定位new表达式 placement-new

定位new表达式，是在已经开辟的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象

即，对使用malloc 或 operator new 开辟的自定义类型的空间，调用构造函数初始化一个对象

使用方法是：new(开辟空间的地址)开辟空间的类型(初始化参数)

初始化参数，即构造函数所需传参

此操作可以解决 已经开辟的自定义类型空间无法初始化的问题

面试问题

malloc、calloc、realloc有什么区别

void* malloc (size_t size);

void* calloc (size_t num, size_t size);

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

首先，除了最基础的使用传参不同之外，他们的作用也是不同的
malloc 的作用，是向内存申请一段连续的空间，申请成功返回这块空间的地址，失败则返回空指针，且不对空间数据初始化
calloc 的作用同样是向内存申请一段连续的空间，申请成功返回空间的地址，失败则返回空指针，不过会将空间数据按每字节初始化为0
realloc 的作用是，调整一段动态开辟的空间的大小，传参除了原空间地址之外，还需要传入的是最终目标大小而不是调整的大小。调整之后，返回结果空间的地址
realloc 扩充空间，原则上在原空间基础上向后扩充，若原空间后的空间充足，则扩充完毕后返回原空间地址；若原空间后的空间不足，则重新申请一段连续的空间，并将原空间数据拷贝至新空间对应位置，然后返回新空间地址

new 与 malloc 有什么区别

除使用方法不同， new是关键字，而malloc是函数之外，还有具体功能的区别
对于内置类型，new 和 malloc 除使用方法不同之外，基本上没有区别，结果也是一模一样的，唯一不同的是就是 new 申请空间失败抛异常，而 malloc 申请空间失败返回空指针
对于自定义类型，new 除了申请空间之外，还会调用内置类型的构造函数对对象初始化；而 malloc 不能调用构造函数，毕竟C语言中的函数
再有就是，自定义类型中，可以对 operator new 进行重载，进而可以将 new 改变为在一定程度上按照指定的思路开辟空间

free 与 delete 有什么区别

free 和 delete 的作用都是对动态开辟的内存空间进行释放，在处理内置类型上，没有什么不同
而在处理自定义类型的空间上，delete 还会调用自定义类型的析构函数进行资源的清理
另外就是，在自定义类型中，可以对operator delete进行重载，在一定程度上修改delete的某些思路

什么是内存泄漏？及如避免内存泄漏

内存泄漏，指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。并且，内存泄露并不是只物理上内存泄露、消失了什么的，而是指 失去了对已经开辟出的且没有释放的内存空间的控制。

举示例讲，就是存在一块被一个指针指向的动态开辟的空间，不过不经意间发生了事故，导致这个指针指向了别的空间，而原空间无法再被找到并释放，就造成了内存泄漏

内存泄漏对于经常被打开关闭的程序没有什么大的危害，因为程序的关闭会清理资源将使用过的内存还给操作系统，但是长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死

如何避免内存泄露的出现呢？

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

作者：哈米d1ch 发表日期：2022 年 6 月 29 日