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【C++】内存管理

news 来源：原创 2025/5/8 23:08:50

内存管理

C/C++内存分布
C++动态内存管理方式
- new/delete操作内置类型
- new/delete操作自定义类型
operator new和operator delete函数
new/delete对不同类型的处理
- 内置类型
- 自定义类型
定位new表达式（placement-new）
- 使用格式
- 使用场景

C/C++内存分布

在这里插入图片描述

内存映射（Memory Mapping）是一种高效的 I/O 操作方式，可将文件或匿名内存区域映射到进程的地址空间，允许直接通过内存地址访问数据。动态链接库（如 .so 文件）的加载也依赖此技术。用户可通过系统接口（如 mmap）创建共享内存区域，结合进程间同步机制（如信号量），实现高效的数据共享和通信。
数据段又分为Data段（存放显式初始化的全局/静态变量）和Bss段（未初始化的全局/静态变量）。

C++动态内存管理方式

new/delete操作内置类型

int main()
{
	//动态申请一个int类型的空间
	int* ptr1 = new int;
	//动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr2 = new int(10);
	//动态申请一个10个int类型的空间
	int* ptr3 = new int[10];
	delete ptr1;
	delete ptr2;
	delete[] ptr3;
	return 0;
}

这里需要注意的就是在申请和释放单个元素空间的时候，使用的是new和delete操作符，申请和释放连续空间的时候，使用的是new[]和delete[]

new/delete操作自定义类型

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

int main()
{
	A* pa1 = new A(10);
	A* pa2 = (A*)malloc(sizeof(A));
	delete pa1;
	free(pa2);
	A* pa3 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* pa4 = new A[3]{ 1,2,3 };
	free(pa3);
	delete[] pa4;
	return 0;
}

运行出来的结果是
在这里插入图片描述
new/delete和malloc/free最大区别是new/delete对于自定义类型除了开空间之外还会调用构造函数和析构函数

operator new和operator delete函数

operator new和operator delete函数使用户进行动态内存申请和释放的操作符，它们都是系统提供的全局函数。new在底层调用了operator new全局函数来申请空间，delete在底层调用operator delete来释放空间

// 全局 operator new 的典型实现伪代码
void* operator new(std::size_t size) {
    if (size == 0) size = 1; // C++ 要求分配至少 1 字节
    void* p = std::malloc(size);
    if (!p) {
        // 分配失败时抛出 bad_alloc
        throw std::bad_alloc(); 
    }
    return p;
}

_GLIBCXX_WEAK_DEFINITION void
operator delete(void* ptr) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT
{
    std::free(ptr);  // 直接调用 C 标准库的 free
}

// C++14 引入的带 size 参数的版本
_GLIBCXX_WEAK_DEFINITION void
operator delete(void* ptr, std::size_t) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT
{
    ::operator delete(ptr);  // 委托给无 size 参数的版本
}

通过以上代码可以看出，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，不成功则抛出异常。operator delete最终是通过free来释放空间

new/delete对不同类型的处理

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，不同的地方在于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出异常而malloc会返回NULL

自定义类型

new的原理
- 调用operator new函数来申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造（调用构造函数是编译器在代码生成阶段显式插入的，属于语言层面的行为，与内存分配operator new）解耦
delete的原理
- 在空间上执行析构函数，然后完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
new T[N]的原理
- 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成对N个对象空间的申请
- 在申请的空间上执行N 次析构函数
delete[]的原理
- 在释放对象的空间上执行N次析构函数完成N个对象中资源的清理
- 调用operator delete[]释放空间,实际上是调用operator delete来释放空间
  注意
  在使用new T[sz]动态分配内存时，实际分配的内存空间可能会大于用户直接申请的空间，但是这一行为高度依赖编译器的具体实现，尤其是当类型T是自定义类型的时候。当多申请一块空间的时候，多出来的空间在申请空间的头部，用来存放申请空间大小的长度

+----------------+---------------------+
| 元数据（长度）  | 数组元素 T[0]~T[sz-1] |
+----------------+---------------------+
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