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侯捷 C++ 课程学习笔记：内存管理的每一层面

news 来源：原创 2025/6/9 14:17:49

一、C++ 应用程序的内存管理架构

二、C++ 内存原语

三、内存管理的实际应用

四、学习心得

一、C++ 应用程序的内存管理架构

C++ 应用程序的内存管理架构可以分为多个层次，从应用程序到操作系统 API，每一层都提供了不同的内存管理功能。

架构图：

C++ Applications
  ↓
C++ Library (std::allocator)
  ↓
C++ primitives (new, new[], ::operator new(), ...)
  ↓
CRT (malloc / free)
  ↓
O.S. API (such as HeapAlloc, VirtualAlloc, ...)

C++ 应用程序（C++ Applications）：
- C++ 应用程序是内存管理的最上层，使用 C++ 提供的各种内存管理工具和库来分配和释放内存。
C++ 标准库（C++ Library）：
- C++ 标准库提供了 std::allocator 等内存分配器，用于管理内存的分配和释放。std::allocator 是一个通用的内存分配器，可以与标准容器（如 vector、list 等）配合使用。
C++ 原语（C++ primitives）：
- C++ 提供了多种内存分配和释放的原语，包括 new、new[]、::operator new()、::operator delete() 等。这些原语可以直接用于分配和释放内存。
C 运行时库（CRT, C Runtime Library）：
- CRT 提供了 malloc 和 free 等函数，用于分配和释放内存。这些函数是 C 语言标准库的一部分，也可以在 C++ 中使用。
操作系统 API（O.S. API）：
- 操作系统提供了底层的内存管理 API，如 HeapAlloc、VirtualAlloc 等，用于直接与操作系统交互，进行内存的分配和管理。

二、C++ 内存原语

C++ 提供了多种内存分配和释放的原语，这些原语在不同的场景下使用，具有不同的特点和用途。

内存原语表格：

分配函数	释放函数	类属	可否重载
`malloc()`	`free()`	C 函数	不可
`new`	`delete`	C++ 表达式 (expressions)	不可
`::operator new()`	`::operator delete()`	C++ 函数	可
`allocator<T>::allocate()`	`allocator<T>::deallocate()`	C++ 标准库	可自由设计并搭配任何容器

malloc() 和 free()：
- 类属：C 函数。
- 特点：malloc() 用于分配内存，free() 用于释放内存。这些函数是 C 语言标准库的一部分，可以在 C++ 中使用。
- 限制：不可重载。
new 和 delete：
- 类属：C++ 表达式。
- 特点：new 用于分配内存并调用构造函数，delete 用于释放内存并调用析构函数。这些表达式是 C++ 的核心内存管理工具。
- 限制：不可重载。
::operator new() 和 ::operator delete()：
- 类属：C++ 函数。
- 特点：::operator new() 用于分配内存，::operator delete() 用于释放内存。这些函数可以被重载，以实现自定义的内存分配和释放逻辑。
- 限制：可重载。
allocator<T>::allocate() 和 allocator<T>::deallocate()：
- 类属：C++ 标准库。
- 特点：allocator<T> 是 C++ 标准库中的内存分配器，allocate() 用于分配内存，deallocate() 用于释放内存。这些函数可以自由设计并搭配任何容器使用。
- 限制：可自由设计并搭配任何容器。

三、内存管理的实际应用

在实际应用中，合理选择和使用内存管理工具可以显著提高程序的性能和可维护性。

以下是一些具体的使用场景和示例代码：

使用 new 和 delete：

int* ptr = new int(10);  // 分配内存并初始化
std::cout << *ptr << std::endl;  // 输出 10
delete ptr;  // 释放内存

使用 malloc 和 free：

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));  // 分配内存
*ptr = 10;  // 初始化
std::cout << *ptr << std::endl;  // 输出 10
free(ptr);  // 释放内存

使用 allocator：

std::allocator<int> alloc;  // 创建分配器
int* ptr = alloc.allocate(1);  // 分配内存
alloc.construct(ptr, 10);  // 初始化
std::cout << *ptr << std::endl;  // 输出 10
alloc.destroy(ptr);  // 销毁对象
alloc.deallocate(ptr, 1);  // 释放内存