【C++篇】深入解析C/C++内存管理：从原理到实践
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文章目录
- 前言
- 一、重温C/C++内存分布
- 二、重温C语言的动态内存管理
- 三、C++内存管理方式
- 1. 对内置类型的操作
- 2. 对自定义类型的操作
- 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、malloc/free和new/delete的区别总结（面试常考）
- 八、内存泄漏
前言
哈喽！我是我想吃余！我们来进入今天的学习吧！😎
在C/C++开发中，内存管理是开发者必须掌握的核心技能之一。无论是手动分配释放内存的灵活性，还是由此带来的内存泄漏风险，这一领域始终充满挑战。
如果你对动态内存管理有一定的了解，那么你是否曾困惑于malloc与new的区别？是否因内存泄漏导致程序崩溃却无从排查？又是否在面试中被问及“堆与栈的区别”却难以系统回答？
本文以C/C++内存管理为核心，从内存分布、动态内存操作、new/delete的实现原理，到定位new表达式和内存泄漏的防范，全面解析背后的机制与最佳实践。
无论你是希望夯实基础，还是备战面试，本文将通过理论与实践结合，助你构建系统化的内存管理知识体系，规避开发中的“隐形炸弹”。让我们一起揭开C/C++内存管理的神秘面纱！
一、重温C/C++内存分布
复习传送门🚀：C/C++程序的内存是如何开辟的？
二、重温C语言的动态内存管理
你能将malloc/calloc/realloc/free运用自如吗？
复习传送门🚀：高阶C语言|动态内存管理
三、C++内存管理方式
C++是兼容C语言的所有语法的，所以C语言的内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方显得十分乏力，而且使用起来感觉很麻烦，因此C++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. 对内置类型的操作
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[]
- 动态申请一个int类型空间
int* ptr4 = new int;
delete ptr4;
- 动态申请一个int类型空间并初始化为1
int* ptr5 = new int(1);
delete ptr5;
- 动态申请10个int类型空间
int* ptr6 = new int[10];
delete[] ptr6;
初始化方式：
int* ptr6 = new int[10]{1,2,3,4};
delete[] ptr6;
💡：未被指定初始化的部分会被初始化为0
new与malloc除了用法上的区别，其他方面没有区别
2. 对自定义类型的操作
我们来看一个代码的运行结果：
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 = new A(1);
delete p1;
A* p3 = new A[10];
delete[] p3;
return 0;
}
可以看到：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
new/delete和malloc/free最大区别是 ：new/delete对于自定义类型除了开空间还会调用构造函数和析构函数
原来，new的初始化功能是通过构造函数实现的。
四、operator new与operator delete函数
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。(malloc申请空间失败会返回空值，而C++中常常不喜欢用返回值) -
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
然而对于自定义类型：
new的原理：
- 先开空间：调用
operator new，operator new再调用malloc - 再调用构造函数
delete的原理：
3. 先调用析构函数
4. 再调用operator free，operator free再调用free
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
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
使用实例：
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
// 定位new/replacement new
int main()
{
// p1现在指向的只不过是与A对象相同大小的一段空间，还不能算是一个对象，因为构造函数没有执行
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));//开辟内存池
new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参
p1->~A();
free(p1);
return 0;
}
细心的朋友可以发现：这样似乎失去了delete的自动清理能力，需要手动调用析构函数。那这样做有什么意义呢？
其实这里用到了池化技术，他可以提高效率。
什么是池化技术？
假设张三是一个大学生，在宿舍想要喝水，每次他都要跑到外面的饮水机去喝水。喝水是一个频繁事件，张三每天都得跑好几趟。
但现实中你们会这样做吗？大家是不是都有一个大水壶，去接一次水就够我们喝两天了。这样做效率是更高的。
这里的“水壶”就是池。
在编程中，有内存池、线程池、连接池等等
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，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。
如果我们需要频繁申请和释放内存，就可以提前开辟一个内存池，当我们需要内存时，直接在这个内存池里用就可以了。
七、malloc/free和new/delete的区别总结（面试常考）
- 共同点
- 都是从堆上申请空间，并且需要手动释放
- 不同点
malloc和free是函数，而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，若是多个对象，[]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后面跟的是空间类型malloc申请空间失败时，返回的是NULL，所以比需要判空检查，new不需要，但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，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理
💡：1~5是特性和用法的不同，6是底层逻辑的不同。建议理解去记忆，切忌死记硬背。
八、内存泄漏
什么是内存泄漏：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。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。
内存泄漏的预防：
和C语言的预防类似——养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放
采用智能指针来管理资源（在未来学习智能指针的时候讲解）
完~