C/C++ 内存管理与分布详解

🚩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

void Test(){
    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

int main(){
    // 1. 分配一个未初始化的 int
    int* p1 = new int;
    // 2. 分配并初始化为 100
    int* p2 = new int(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;
    return 0;
}

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）

void manageArray(){
    int size = 5;
    // 分配一个长度为 5 的 int 数组
    int* arr = new int[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>
using namespace std;

class A{
public:
    A(int a = 0):_a(a){ cout <<"A():"<<this<< endl;}
    ~A(){ cout <<"~A():"<<this<< endl;}
private:
    int _a;
};

int main(){ 
    A* p1 =(A*)operator new(sizeof(A)); 
    A* p2 = new A(1);
    operator delete(p1);
    delete p2;
    
    int* p3 =(int*)operator new(sizeof(int));
    int* p4 = new int;
    operator delete(p3);
    delete p4;
    
    A* p5 =(A*)operator new(sizeof(A)*10); 
    A* p6 = new A[10];
    operator delete[](p5);
    delete[] p6;
    return 0;
}

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

• 原型：

void* operator new(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

• 原型：

void operator delete(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