C/C++内存管理

一、C/C++内存分布

代码段（Text Segment） 内容：编译后的机器指令（如函数 main()、printf() 的代码）。 属性：只读（防止程序意外修改指令），可被多个进程共享（节省内存）。

数据段（Data Segment） 初始化数据：显式初始化的全局/静态变量。

int global_init = 42;      // 存储在 Data Segment
static int static_init = 5;

BSS 段 未初始化数据：未显式初始化的全局/静态变量，程序启动时自动清零。

int global_uninit;         // 存储在 BSS 段（实际值为 0）
static int static_uninit;

堆（Heap） 动态内存：通过 malloc、calloc、realloc 分配，需手动释放。

int *arr = malloc(100 * sizeof(int)); // 堆上分配
free(arr);                            // 必须显式释放

特点：

1. 地址增长方向：低地址 → 高地址。
2. 分配速度较慢（需维护空闲内存链表）。
3. 可能产生碎片或内存泄漏。

栈（Stack） 自动管理：存储局部变量、函数参数、返回地址等。

void foo() {
    int local_var = 10;    // 栈上分配
}

特点：

1. 地址增长方向：高地址 → 低地址（与堆相反）。
2. 分配/释放速度快（仅移动栈指针）。
3. 大小有限（可能栈溢出，如无限递归）。

关键注意事项： **栈溢出：**递归过深或局部变量过大导致栈空间耗尽（如 int arr[1000000];）。

**堆管理：**忘记 free 会导致内存泄漏；重复释放或越界访问会引发崩溃。

**全局变量：**过多使用会增加程序启动时间和内存占用。

地址大小关系，通常符合： 代码段 < Data 段 < BSS 段 < 堆 < 栈。

看一道题来加深理解，代码如下：

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";
	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);
}

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简单来说，在一般情况下，在栈区开辟空间，先开辟的空间地址较高，而在堆区开辟空间，先开辟的空间地址较低。 注意：在堆区后一个开辟的空间的地址不一定比前面先开辟空间的地址大，因为可能后开辟空间的地址是在前面释放的空间上开辟的地址。

记住： sizeof是一个C语言中的一个单目运算符，而strlen是一个函数，用来计算字符串的长度。sizeof求的是数据类型所占空间的大小，而strlen是求字符串的长度,strlen(结束的标志是是否碰到\0)。

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二、C语言中动态内存管理

1、malloc / calloc / realloc 和 free

malloc

malloc函数的功能是开辟指定字节大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。传参时只需传入需要开辟的字节个数。

calloc

calloc函数的功能也是开辟指定大小的内存空间，如果开辟成功就返回该空间的首地址，如果开辟失败就返回一个NULL。calloc函数传参时需要传入开辟的内存用于存放的元素个数和每个元素的大小。calloc函数开辟好内存后会将空间内容中的每一个字节都初始化为0。

realloc

realloc函数可以调整已经开辟好的动态内存的大小，第一个参数是需要调整大小的动态内存的首地址，第二个参数是动态内存调整后的新大小。 realloc函数与上面两个函数一样，如果开辟成功便返回开辟好的内存的首地址，开辟失败则返回NULL。

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free

free函数的作用就是将malloc、calloc以及realloc函数申请的动态内存空间释放，其释放空间的大小取决于之前申请的内存空间的大小。

三、C++中动态内存管理

首先，C语言内存管理的方式在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。

1、new与delete操作内置类型

1. 动态申请单个某类型的空间

	int* p1 = new int;//动态申请单个int类型的空间
	delete p1; //销毁
	
	//////////////////////等价于///////////////////////

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); ////动态申请单个int类型的空间
	free(p2); //销毁

1. 动态申请多个某类型的空间

	int* p3 = new int[10]; //动态申请10个int类型的空间
	delete[] p3; //销毁

//////////////////////等价于///////////////////////
		
	int* p4 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); ////动态申请10个int类型的空间
	
	free(p4); //销毁

1. 动态申请单个某类型的空间并初始化

	int* p5 = new int(10); //动态申请单个int类型的空间并初始化为10
	delete p5; //销毁
	
//////////////////////等价于///////////////////////
	
	int* p6 = (int*)malloc(sizeof(int)); ////动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	*p6 = 10; //赋值
	free(p6); //销毁

1. 动态申请多个某类型的空间并初始化

	int* p7 = new int[10]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; ////动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
	delete[] p7; //销毁 
	
//////////////////////等价于///////////////////////
	
	int* p8 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); ////动态申请10个int类型的空间并初始化为0到9
	for (int i = 0; i < 10; i++) //赋值
	{
		p8[i] = i;
	}
	free(p8); //销毁

在这里插入图片描述

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[ ]。

2、new 与 delete操作自定义类型

对以下自定义类型：

class Test
{
public:
	Test() //构造函数
		:_a(0)
	{
		cout << "构造函数" << endl;
	}
	~Test() //析构函数
	{
		cout << "析构函数" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

1. 动态申请单个类的空间

//用new和delete操作符：
	Test* p1 = new Test; //申请
	delete p1; //销毁
	
//用malloc和free函数：
	Test* p2 = (Test*)malloc(sizeof(Test)); //申请
	free(p2); //销毁

1. 动态申请多个类的空间

//用new和delete操作符：
	Test* p3 = new Test[10]; //申请
	delete[] p3; //销毁

//用malloc和free函数：
	Test* p4 = (Test*)malloc(sizeof(Test)* 10); //申请
	free(p4); //销毁

注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc和free不会。

总结一下：

1. C++中如果是申请内置类型的对象或是数组，用new/delete和malloc/free 没有什么区别。
2. 如果是自定义类型，区别很大，new和delete分别是开空间+构造函数、析构函数+释放空间，而malloc和free仅仅是开空间和释放空间。
3. 建议在C++中无论是内置类型还是自定义类型的申请和释放，尽量都使用new和delete。

四、operate new 与 operate delete函数

1、operate new 与 operate delete函数（重点）

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和delete在底层是通过调用全局函数operator new和operator delete来申请和释放空间的。

operator new和operator delete的用法和malloc和free的用法完全一样，其功能都是在堆上申请和释放空间。

	int* p1 = (int*)operator new(sizeof(int)* 10); //申请
	operator delete(p1); //销毁
	
//////////////////////////////等价于//////////////////////////////////

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)* 10); //申请
	free(p2); //销毁

实际上，operator new的底层是通过调用malloc函数来申请空间的，当malloc申请空间成功时直接返回；若申请空间失败，则尝试执行空间不足的应对措施，如果该应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。而operator delete的底层是通过调用free函数来释放空间的。

在这里插入图片描述

注意：虽然说operator new和operator delete是系统提供的全局函数，但是我们也可以针对某个类，重载其专属的operator new和operator delete函数，进而提高效率。

五、new 和 delete实现原理

1、内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new/delete和malloc/free基本类似，不同的是，new/delete申请释放的是单个元素的空间，new[ ]/delete [ ]申请释放的是连续的空间，此外，malloc申请失败会返回NULL，而new申请失败会抛异常。

2、自定义类型

1）、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。

2）、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。

3）、new T[N]的原理

1. 调用operator new[ ]函数，在operator new[ ]函数中实际调用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。

4）、delete T[N]的原理

1. 在空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理。
2. 调用operator delete[ ]函数，在operator delete[ ]函数中实际调用operator delete函数完成N个对象空间的释放。

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)

其中place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表。

使用场景：  定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用，因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，就需要使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	A(int a = 0) //构造函数 
		:_a(a)
	{}

	~A() //析构函数
	{}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//new(place_address)type 形式
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p1)A;

	//new(place_address)type(initializer-list) 形式
	A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	new(p2)A(2021);

	//析构函数也可以显示调用
	p1->~A();
	p2->~A();
	return 0;
}

注意：在未使用定位new表达式进行显示调用构造函数进行初始化之前，malloc申请的空间还不能算是一个对象，它只不过是与A对象大小相同的一块空间，因为构造函数还没有执行。

七、常见面试题

1、malloc / free 与 new / delete 区别

共同点：  都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。 不同点：  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申请的空间会初始化。  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。  4、malloc的返回值是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，不会调用构造函数和析构函数，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。

2、内存泄漏

1）、内存泄漏概念与危害

内存泄漏：  内存泄漏是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。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：  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。

void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];
	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
	delete[] p3;
}

2）、内存泄漏分类（了解）

堆内存泄漏(Heap Leak)  堆内存指的是程序执行中通过malloc、calloc、realloc、new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的free或者delete释放。假设程序的设计错误导致这部分内容没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄漏  指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

3）、如何避免内存泄漏

1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记住匹配的去释放。 2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。 3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库，该库自带内存泄漏检测的功能选项。 4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。

4）、如何一次在堆上申请4G的内存

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	//0xffffffff转换为十进制就是4G
	void* p = malloc(0xfffffffful);
	cout << p << endl;

	return 0;
}

在32位的平台下，内存大小为4G，但是堆只占了其中的2G左右，所以我们不可能在32位的平台下，一次性在堆上申请4G的内存。这时我们可以将编译器上的win32改为x64，即64位平台，这样我们便可以一次性在堆上申请4G的内存了。