C/C++内存管理：从内存布局到malloc/free 与 new/delete 的深度解析

c/cpp程序内存区域划分

1. 栈（Stack）
   • 存储非静态局部变量、函数参数、返回值
   • 向下增长（从高地址向低地址）
   • 自动分配和释放
2. 堆（Heap）
   • 动态内存分配区域
   • 向上增长（从低地址向高地址）
   • 手动管理（malloc/free, new/delete）
3. 数据段/静态区
   • 存储全局变量和静态变量
   • 程序开始时分配，结束时释放
4. 代码段/常量区
   • 存储可执行代码和字符串常量
   • 只读区域
5. 内存映射段
   • 文件映射、动态库、匿名映射
   • 进程间通信

练习

intglobalVar=1;// 数据段staticintstaticGlobalVar=1;// 数据段voidTest(){staticintstaticVar=1;// 数据段intlocalVar=1;// 栈intnum1[10]={1,2,3,4};// 栈charchar2[]="abcd";// 栈constchar*pChar3="abcd";// 指针在栈，字符串在代码段int*ptr1=(int*)malloc(sizeof(int)*4);// 指针在栈，指向堆int*ptr2=(int*)calloc(4,sizeof(int));// 指针在栈，指向堆int*ptr3=(int*)realloc(ptr2,sizeof(int)*4);// 指针在栈，指向堆free(ptr1);free(ptr3);}选择题：根据下面的选项，选择每个变量所在的区域： A.栈 B.堆 C.数据段（静态区） D.代码段（常量区）-`globalVar`在哪里？__->C（数据段）-`staticGlobalVar`在哪里？__->C（数据段）-`staticVar`在哪里？__->C（数据段）-`localVar`在哪里？__->A（栈）-`num1`在哪里？__->A（栈）-`char2`在哪里？__->A（栈）-`*char2`在哪里？__->A（栈）// 注意：char2是一个数组，数组在栈上，所以数组元素也在栈上-`pChar3`在哪里？__->A（栈）-`*pChar3`在哪里？__->D（代码段/常量区）// pChar3指向一个字符串常量，字符串常量在代码段/常量区-`ptr1`在哪里？__->A（栈）-`*ptr1`在哪里？__->B（堆）

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

voidTest(){int*p1=(int*)malloc(sizeof(int)*4);// 分配未初始化的内存int*p2=(int*)calloc(4,sizeof(int));// 分配并初始化为0int*p3=(int*)realloc(p2,sizeof(int)*10);// 调整内存大小// 不需要free(p2)，因为realloc已经处理free(p1);free(p3);}

malloc/calloc/realloc的区别？

- malloc：申请指定字节数的内存，不初始化。 - calloc：为指定数量的元素分配内存，每个元素的大小为指定字节数，并将内存初始化为0。 - realloc：调整已分配内存块的大小，可以扩大或缩小。扩大时，原内容保留，新增部分不初始化；缩小时，截断部分内容。可能移动内存块到新的位置

malloc的实现原理？glibc中malloc实现原理

- malloc的实现原理通常涉及内存池管理，使用空闲链表（free list）来管理已释放的内存块，并通过brk或mmap系统调用向操作系统申请内存。glibc的malloc使用ptmalloc2实现，它通过维护多个内存块（chunk）和多个链表来管理内存，包括未分配的内存和已分配的内存，并尝试减少内存碎片。

c++内存管理方式 new和delete

voidTest(){// 动态申请一个int类型的空间int*ptr4=newint;// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10int*ptr5=newint(10);// 动态申请10个int类型的空间int*ptr6=newint[3];deleteptr4;deleteptr5;delete[]ptr6;}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[]，注意匹配起来使用。

new和delete操作自定义类型

classA{public:A(inta=0):_a(a){cout<<"A():"<<this<<endl;}~A(){cout<<"~A():"<<this<<endl;}private:int_a;};intmain(){// 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A*p1=(A*)malloc(sizeof(A));A*p2=newA(1);free(p1);deletep2;// 内置类型是几乎是一样的int*p3=(int*)malloc(sizeof(int));// Cint*p4=newint;free(p3);deletep4;A*p5=(A*)malloc(sizeof(A)*10);A*p6=newA[10];free(p5);delete[]p6;return0;}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与free不会。

operator new与operator delete函数

/* 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*__CRTDECLoperatornew(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staticconststd::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}return(p);}/* operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的 */voidoperatordelete(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**加粗样式**#definefree(p)_free_dbg(p,_NORMAL_BLOCK)// operator new 的简化实现void*operatornew(size_t size){void*p;while((p=malloc(size))==0){// 尝试处理内存不足的情况if(处理函数==0){// 抛出bad_alloc异常throwstd::bad_alloc();}}returnp;}// operator delete 的简化实现voidoperatordelete(void*p){free(p);}

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。

new和delete的实现原理

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。

自定义类型

• 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
• 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
• new T[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

定位new表达式（placement-new）

new(place_address)type;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，需要使用new的定位表达式进行显示调构造函数进行初始化。

classA{public:A(inta=0):_a(a){cout<<"A():"<<this<<endl;}~A(){cout<<"~A():"<<this<<endl;}private:int_a;};// 定位new/replacement newintmain(){// 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));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);A*p2=(A*)operatornew(sizeof(A));new(p2)A(10);p2->~A();operatordelete(p2);return0;}

malloc/free 和 new/delete 的区别

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