【一天一个计算机知识】—— 【 C/C++ 内存管理与分布】

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索引与导读

• 🚩一、C/C++ 内存分布
• 🚩二、C语言的动态内存管理
  • 💪C动态内存管理的面试考点
    • 1）realloc的工作机制
    • 2）malloc/calloc/realloc的区别是什么？
• 🚩三、C++ 动态内存管理
  • 1）操作内置类型
    • 1.1）单个变量的分配和释放
    • 1.2）一维数组的分配与释放
  • 2）操作自定义类型
  • 3）operator new与operator delete函数
    • 3.1）operator new详解
    • 3.2）operator delete 详解
  • 4）new和delete的实现原理
    • 4.1）内置类型
    • 4.2）自定义类型
  • 5）malloc/free和new/delete的区别
• 💻结尾— 核心连接协议

🚩一、C/C++ 内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>// 【全局/静态区】.data：已初始化的全局变量int globalVar =1;// 【全局/静态区】.data：已初始化的静态全局变量（作用域限制在本文件）staticint staticGlobalVar =1;voidTest(){// 【全局/静态区】.data：已初始化的静态局部变量（生命周期为整个程序）staticint staticVar =1;// 【栈区】：局部变量，函数运行结束自动释放int localVar =1;// 【栈区】：局部数组int num1[10]={1,2,3,4};// 【栈区】：字符数组（注意："abcd" 会被拷贝到栈上）char char2[]="abcd";// 【指针在栈区】，但指向的 "abcd" 字符串字面量在【常量区/代码段】constchar* pChar3 ="abcd";// 【指针在栈区】，指向【堆区】通过 malloc 分配的内存int* ptr1 =(int*)malloc(sizeof(int)*4);// 【指针在栈区】，指向【堆区】通过 calloc 分配并初始化的内存int* ptr2 =(int*)calloc(4,sizeof(int));// 【指针在栈区】，将 ptr2 原有的【堆区】内存进行扩充/移动int* ptr3 =(int*)realloc(ptr2,sizeof(int)*4);// 手动释放【堆区】内存free(ptr1);free(ptr3);}

🚩二、C语言的动态内存管理

🔗Lucy的空间骇客裂缝：C语言动态内存管理

💪C动态内存管理的面试考点

1）realloc的工作机制

voidTest(){int* p2 =(int*)calloc(4,sizeof(int));int* p3 =(int*)realloc(p2,sizeof(int)*10);free(p3 );}

• 这里需要free(p2)吗
• 不需要。 甚至绝对不能这样做

原因在于 realloc 的工作机制：如果 realloc 成功扩容，它会返回一个新的内存地址（可能是原地址，也可能是搬迁后的新地址）。如果返回了新地址，原内存块（p2）会自动被释放。如果你手动执行 free(p2)，会导致“重复释放”（Double Free）的错误，这通常会引起程序崩溃

2）malloc/calloc/realloc的区别是什么？

🚩三、C++ 动态内存管理

• C语言内存管理方式在C++中可以继续使用
• 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

1）操作内置类型

在C++中，内置类型（如 int, double, char 等）的动态内存分配主要通过 new 和 delete 运算符来实现

1.1）单个变量的分配和释放

• 分配:new 类型 或 new 类型(初始值)
• 释放:delete 指针变量

intmain(){// 1. 分配一个未初始化的 intint* p1 =newint;// 2. 分配并初始化为 100int* p2 =newint(100);// 使用完毕后必须释放内存delete p1;delete p2;// 良好的习惯：将指针置为空，防止野指针 p1 =nullptr; p2 =nullptr;return0;}

1.2）一维数组的分配与释放

处理数组时，需要使用方括号 []

• 分配：new 类型[元素个数]
• 释放：delete[] 指针变量 （注意：释放数组必须加 []，否则会导致未定义行为或内存泄漏）

voidmanageArray(){int size =5;// 分配一个长度为 5 的 int 数组int* arr =newint[size];// 初始化数组（C++11 之后也可以使用 new int[5]{1, 2, 3, 4, 5}）for(int i =0; i < size;++i){ arr[i]= i *10;}// 释放数组内存delete[] arr;}

2）操作自定义类型

对于自定义类型（如 struct 或 class），C++ 的 new 和 delete 不仅仅是分配内存，它们还负责调用构造函数和析构函数

• 最核心的差异在于：自定义类型的生命周期管理包含了初始化（调用构造函数） 和清理（调用析构函数） 的过程

#include<iostream>usingnamespace std;classA{public:A(int a =0):_a(a){ cout <<"A():"<<this<< endl;}~A(){ cout <<"~A():"<<this<< endl;}private:int _a;};intmain(){ A* p1 =(A*)operatornew(sizeof(A)); A* p2 =newA(1);operatordelete(p1);delete p2;int* p3 =(int*)operatornew(sizeof(int));int* p4 =newint;operatordelete(p3);delete p4; A* p5 =(A*)operatornew(sizeof(A)*10); A* p6 =new A[10];operatordelete[](p5);delete[] p6;return0;}

3）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

• new 表达式 (new expression): 这是我们在代码中常用的 Type* p = new Type();。它是一个“全自动”过程，做了两件事：
  1. 调用 operator new 分配原始内存。
  2. 调用构造函数初始化对象。
• operator new (函数): 这是一个类似于 malloc 的函数，它的唯一任务是分配一块指定大小的原始内存，不负责构造对象。

3.1）operator new详解

🔗Lucy的空间骇客裂缝：operator new官方解析

• 原型：

void*operatornew(size_t size);

• 工作原理
  • 参数: size 是需要分配的字节数（编译器会自动计算对象大小并传入）。
  • 返回值: 返回指向分配的内存起始地址的 void* 指针。
  • 失败处理: 默认情况下，如果分配失败，它不会返回 nullptr，而是抛出 std::bad_alloc 异常。
  • 自定义行为: 你可以重载全局或类特定的 operator new 来实现自己的内存池或审计逻辑

3.2）operator delete 详解

🔗Lucy的空间骇客裂缝：operator delete官方解析

• 原型：

voidoperatordelete(void* ptr)noexcept;

• 工作原理
  • 对应关系：delete 表达式会先调用对象的析构函数，然后调用 operator delete 来释放内存。
  • 安全性：根据 C++ 标准，向 operator delete 传递 nullptr 是安全的，函数会直接返回而不执行任何操作。
  • 释放逻辑：在底层，它通常封装了 free() 或者系统底层的内存回收接口。

在 C++ 中，noexcept 是一个异常说明，它告诉编译器和程序员：这个函数保证不会抛出异常

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

4）new和delete的实现原理

4.1）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

4.2）自定义类型

• new 的原理
  1. 调用 operator new 函数申请空间
  2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
• delete 的原理
  1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  2. 调用 operator delete 函数释放对象的空间
• new T[N] 的原理
  1. 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
  2. 在申请的空间上执行 N 次构造函数
• delete[] 的原理
  1. 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
  2. 调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间

5）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：

1. malloc 和 free 是函数，new 和 delete 是操作符
2. malloc 申请的空间不会初始化，new 可以初始化
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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释放

💻结尾— 核心连接协议

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