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C++：内存管理 |内存分布|回顾|new/delete底层|实现原理|拓展|定位new|池化技术|总结区别对比

news 2025/10/20 8:27:56

上篇文章：

https://blog.csdn.net/2401_86123468/article/details/153559422?spm=1001.2014.3001.5501

与本文完全相关的C语言：动态内存管理的文章：

https://blog.csdn.net/2401_86123468/article/details/149401001?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522065e0f5ad0bddf75224a00bcc77d1bf3%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=065e0f5ad0bddf75224a00bcc77d1bf3&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-10-149401001-null-null.nonecase&utm_term=malloc&spm=1018.2226.3001.4450https://blog.csdn.net/2401_86123468/article/details/149401001?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522065e0f5ad0bddf75224a00bcc77d1bf3%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=065e0f5ad0bddf75224a00bcc77d1bf3&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-10-149401001-null-null.nonecase&utm_term=malloc&spm=1018.2226.3001.4450

本文阅读可选择略读第二小节内容(更详细的内容见上述链接，C语言主题已详细分析)和池化技术内容(现在接触过早，后续文章会讲)。

前言

程序运行时的内存，处在虚拟进程地址空间中。一段C++程序中，变量，函数，对象均藏在进程的虚拟地址空间里，现代操作系统会为每个进程分配独立的虚拟进程地址空间，在32位系统下，这篇空间最大可达4GB（2^32字节），64位系统则扩展到2^64字节的量级。

我们将操作系统类比为“工厂”，那么进程就是“工人”（在分配好的“虚拟地址空间”里执行任务），更关键的是，这片“虚拟地址空间”被精细的划分为多个功能明确的区域。

栈：“编译器自动管控的高效区域”。函数的局部变量、函数调用的上下文（比如返回地址、传递的参数）都存储在这里。栈遵循 “先进后出” 的规则，分配与释放的效率极高，但空间相对有限。

堆：“程序员主导的灵活区域”。需要动态创建的对象（比如用new申请的内存）就存放在堆中。堆的空间更为广阔，但需要程序员手动管理分配与释放—— 若处理不当，“内存泄漏”“重复释放” 等问题会接踵而至。

静态区（数据段）：“全局 / 静态变量的‘常驻’区域”。程序启动时，操作系统会为全局变量、静态变量分配内存；直到程序结束，这片内存才会被回收。

常量区（代码段）：“存储指令与常量的‘只读’区域”。这里不仅有程序要执行的代码（指令），还包含字符串常量等不可修改的数据。为了保证程序安全，常量区通常是 “只读” 的，防止指令或常量被意外篡改。

1.C/C++内存分布

先阅读下方代码，并给出自己的观点：

回答问题：

详细讲解：

1. globalVar 在哪里？选 C（数据段）

globalVar 是全局变量，全局变量存储在 数据段（静态区）。程序启动时为全局变量分配内存，直到程序结束才会回收这片内存。

2. staticGlobalVar 在哪里？选 C（数据段）

staticGlobalVar 是静态全局变量。“static 修饰全局变量” 时，变量仍存储在数据段（静态区），且作用域限制在当前文件，但生命周期伴随整个程序（从启动到结束）。

3. staticVar 在哪里？选 C（数据段）

staticVar 是函数内的静态局部变量。虽然定义在函数内部，但 “static 修饰局部变量” 会改变其存储位置：从 “栈” 转移到数据段（静态区），且生命周期延长为 “伴随整个程序”（仅初始化一次，函数多次调用时保持值的连续性）。

4. localVar 在哪里？选 A（栈）

localVar 是函数内的普通局部变量（无 static 修饰）。局部变量存储在 栈 中，函数调用时自动为栈上的局部变量分配空间，函数结束时栈空间自动释放，局部变量的生命周期也随之结束。

5. num1 在哪里？选 A（栈）

num1 是函数内的局部数组。数组属于 “复合局部变量”，存储在 栈 中，函数结束时栈上的数组空间会自动释放。

6. char2 在哪里？选 A（栈）

char2 是函数内的局部字符数组（char char2[] = "abcd";）。此时是 “用字符串常量初始化字符数组”，会把字符串 "abcd" 的内容拷贝到栈上的数组 char2 中，因此数组 char2 本身存储在栈。

7. *char2 在哪里？选 A（栈）

char2 是栈上的字符数组，*char2 表示数组的首元素（char2[0]）。首元素属于数组的一部分，因此也存储在栈中。

8. pChar3 在哪里？选 A（栈）

pChar3 是函数内的局部指针变量。指针变量本身（即存储 “地址” 的变量）存储在 栈 中，函数结束时栈上的指针空间会自动释放（但指针指向的内容是否释放，需看指向的区域）。

9. *pChar3 在哪里？选 D（代码段 / 常量区）

pChar3 是 const char* 类型，指向字符串常量 "abcd"。字符串常量（如 "abcd"）存储在 代码段（常量区），该区域是 “只读” 的，程序运行时不会被修改。

10. ptr1 在哪里？选 A（栈）

ptr1 是函数内的局部指针变量。和 pChar3 类似，指针变量本身（存储 malloc 分配的堆内存地址）存储在 栈 中，函数结束时栈上的指针空间自动释放。

11. *ptr1 在哪里？选 B（堆）

ptr1 通过 malloc 函数动态分配内存（malloc/calloc/realloc 或 C++ 的 new 都用于堆内存分配）。动态分配的内存存储在 堆 中，需要手动通过 free（或 C++ 的 delete）释放，否则会造成 “内存泄漏”。

2.C语言中动态内存管理方式：malloc / calloc / realloc / free

2.1malloc/calloc/realloc的区别

1. malloc 函数

  • 功能：从堆中分配一块指定字节数的内存。
  • 初始化：分配的内存不初始化，内容是随机的 “垃圾值”（不确定）。
  • 语法：void* malloc(size_t size);（size 为需要分配的总字节数）。
  • 返回值：成功时返回分配内存的首地址（需强制转换为目标类型指针）；失败时返回 NULL。
  • 适用场景：仅需分配内存、不关心初始内容的场景（比如后续会立即给内存赋值）。

2. calloc 函数

  • 功能：从堆中分配连续的、指定数量 × 单个大小的内存（总大小为 num * size）。
  • 初始化：会将分配的内存全部初始化为 0，无 “垃圾值”。
  • 语法：void* calloc(size_t num, size_t size);（num 是元素数量，size 是单个元素的字节大小）。
  • 返回值：成功时返回分配内存的首地址（需强制转换）；失败时返回 NULL。
  • 适用场景：需要内存初始为 0 的场景（比如数组、结构体的初始化）。

3. realloc 函数

  • 功能：调整已分配内存块的大小（可扩大或缩小）。
  • 初始化：
    • 若扩大内存且需要 “新分配” 部分内存（如原地址后空间不足，需换地址），新分配的内存会初始化为 0；
    • 若缩小内存，原有数据会保留，被 “裁掉” 的部分数据丢失。
  • 语法：void* realloc(void* ptr, size_t new_size);（ptr 是原内存指针，new_size 是新的总字节数）。
  • 返回值：成功时返回调整后内存的指针（可能是原地址，也可能是新地址）；失败时返回 NULL，且原内存块不会被释放（仍保留原数据）。
  • 特殊情况：
    • 若 ptr 为 NULL，realloc 等价于 malloc(new_size)（全新分配内存）；
    • 若 new_size 为 0，realloc 等价于 free(ptr)（释放原内存，返回 NULL）。
  • 适用场景：已分配内存后，需要扩大 / 缩小内存的场景（比如动态数组的扩容）。

总结对比

特性malloccallocrealloc
功能分配指定字节的内存分配并初始化 0 的内存（num×size）调整已分配内存的大小
初始化不初始化（内容为垃圾值）初始化为 0扩展时新内存初始为 0；缩小时原数据保留
参数1 个（总字节数 size）2 个（元素数量 num、单个大小 size）2 个（原指针 ptr、新总字节数 new_size）
返回值分配内存的指针（失败返回 NULL）分配内存的指针（失败返回 NULL）调整后内存的指针（失败返回 NULL，原内存保留）
适用场景只分配内存，不关心初始值需要初始为 0 的内存（如数组）调整已有内存的大小（如动态扩容）

2.2malloc的实现原理

https://www.bilibili.com/video/BV117411w7o2/?spm_id_from=333.788.videocard.0

 

3.C++内存管理方式

C++拥有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。

3.1new/delete操作内置类型

C++中并没有提供类似realloc扩容的方式，需要自己手工扩容。

3.2new和delete操作自定义类型

既然c++中也可以使用c语言中的malloc等，那为什么还要创建new这类方式呢？

原因是：C语言中的方式只开空间，不调用构造初始化

使用C++构建链表更方便：

struct ListNode
{ListNode* _next;int _val;ListNode(int val):_next(nullptr), _val(val){ }
};
int main()
{ListNode* n1 = new ListNode(1);ListNode* n2 = new ListNode(2);ListNode* n3 = new ListNode(3);return 0;
}

3.3new与malloc的返回区别

malloc失败会返回空指针，new失败会抛异常，而对于异常，我们需要捕获，见代码：

void func()
{int i = 1;int* ptr = nullptr;do {if (i == 11105){int x = 0;}ptr = new int[1024 * 1024 ];cout << i++ << ":" << ptr << endl;} while (ptr);cout << i++ << ":" << ptr << endl;
}
int main()
{try{func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

注意：此时我知道会在11105处抛异常，可以写代码中被框起来的if语句，此作用类似于打断点。

4.new/delete底层

new在面对自定义的类类型时，需要两步：

1.在堆上开空间（从底层上讲，new使用的依旧是malloc，可以认为new是malloc的再包装）

2.调用构造函数

delete是free的封装

4.1operator 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，operatornew和operatordelete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。

系统的底层代码：

/*
operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间
失败，尝试执行空               间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否
则抛异常。
*/
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{// try to allocate size bytesvoid* p;while ((p = malloc(size)) == 0)if (_callnewh(size) == 0){// report no memory// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}return (p);
}
/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
*/
void operator delete(void* pUserData)
{_CrtMemBlockHeader* pHead;RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));if (pUserData == NULL)return;_mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */__TRY/* get a pointer to memory block header */pHead = pHdr(pUserData);/* verify block type */_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;
}
/*
free的实现
*/
#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

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。

5.new和delete的实现原理

5.1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。

5.2自定义类型

转到反汇编：

new的原理

1.调用operatornew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operatordelete函数释放对象的空间

newT[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

6.拓展

6.1为什么多出4个字节

根据代码，此处应该有40个字节，但转到反汇编后我们发现，居然有44个字节，这是为什么呢？

实际上，这多出的四个字节，是需要存数组中对应对象的个数：

6.2为什么又“正常”了

此时又是40个字节

看代码，此时没有析构，只需要调用默认析构，且代码中没有什么资源需要释放，因此聪明的编译器不会多开字节去存个数。

7.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)

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，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。

7.1池化技术

池化技术（Pooling） 是一种预分配资源、重复利用的技术思想。

核心目标是：

避免频繁的创建与销毁（尤其是代价昂贵的资源，如内存块、数据库连接、线程、文件句柄等）。

举几个常见的“池”的类型：

类型用途示例
连接池（Connection Pool）复用数据库连接Java JDBC连接池、Redis连接池
线程池（Thread Pool）重用线程执行任务std::thread + 任务队列
内存池（Memory Pool）复用内存块Boost Pool、tcmalloc、jemalloc、Google 自研 Arena

7.2内存池

C++ 默认的 new / delete 或 malloc / free 都要经过：

  • 内核空间与用户空间切换；

  • 内存分配器（glibc malloc）的锁；

  • 较高的碎片化风险。

而 内存池 则是：

预先申请一大块内存，然后自己在这块区域内进行小块分配和回收。

内存池的基本结构

  1. Pool（池体）：管理大块连续内存。

  2. Block（块）：将池体划分为多个固定大小的块。

  3. Free List（空闲链表）：记录哪些块当前可用。

7.3Google 的内存池技术（以 tcmalloc为例）

tcmalloc：高性能多线程内存分配器

  • TCMalloc（Thread-Caching Malloc） 是 Google 为多线程环境优化的内存分配器。

  • 它解决了 glibc malloc 的全局锁问题。

原理简述：

  • 每个线程维护一个本地缓存（Thread Cache），避免锁竞争；

  • 按对象大小分级（size class）；

  • 小对象使用内存池分配，大对象直接系统分配；

  • 回收时放回对应的缓存。

性能对比：

分配器多线程性能小块分配速度
glibc malloc慢（锁争用）一般
jemalloc稳定快
tcmalloc极快极快

在 Google 的服务器程序、Chrome 浏览器中广泛使用。

7.4总结对比

方案优点缺点适用场景
普通 new/delete简单，自动管理慢，碎片多小规模
自建内存池快速复用管理复杂固定大小对象
TCMalloc / Jemalloc通用高性能较大依赖服务端并发系统
Google Arena超快，批量释放不支持单独回收短生命周期对象

8.malloc/free和new/delete的区别

可从用法，核心特性，原理去理解

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

本章完。

http://www.dtcms.com/a/503372.html

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