【C++】内存管理

苏兮

发布于 2026-01-13 17:37:52

610

内存管理

✨前言：C++作为一门接近底层的编程语言，其内存管理机制是程序员必须掌握的核心技能。相比于C语言的malloc/free，C++的new/delete不仅能够进行内存分配，还能自动调用构造函数和析构函数，为面向对象编程提供了更强大的支持。本文将深入探讨C++内存管理的各个方面，帮助读者建立系统的内存管理知识体系。 📖专栏：【C++成长之旅】

一、C/C++内存分布

我们先来看下面的一段代码和相关问题：

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void test()
{
    static int staticVar = 1;
    int localVar = 1;
    int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
    char char2[] = "abcd";
    const char* pChar3 = "abcd";
    int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
    int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
    int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
    free(ptr1);
    free(ptr3);
}

问题：

解答：

二、C语言内存管理方式

对于C语言中的内存管理方式可参考：【C语言中动态内存管理】，有助于我们在偏底层一点的了解C++内存管理方式。

三、C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又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。

3.1 new/delete操作内置类型

void Test()
{
    // 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10个int类型的空间
    int* ptr3 = new int[3];

    // 动态申请10个int类型的空间并初始化
    int* ptr4 = new int[3] {1,2,3};

    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
    delete[] ptr4;
}

调试结果：

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。

可能对于内置类型的操作并没有显著的区别，接下来，我们来看一下new和delete操作自定义类型吧。

3.2 new和delete操作自定义类型

以Date类为类：

class Date
{
public:
    Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)
    {
        std::cout << "Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)" << std::endl;
    }
    ~Date()
    {
        std::cout << "~Date()" << std::endl;
    }
private:
    int _year = 2024;
    int _month = 1;
    int _day = 1;
};

int main()
{
    Date* pd = new Date;

    delete pd;
    return 0;
}

申请连续空间并初始化：

class Date
{
public:
    Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)
    {
        std::cout << "Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)" << std::endl;
    }
    ~Date()
    {
        std::cout << "~Date()" << std::endl;
    }
private:
    int _year = 2024;
    int _month = 1;
    int _day = 1;
};

int main()
{
    Date* pd = new Date[2]{ {1,1,1},{2,2,2} };

    delete[] pd;
    return 0;
}

对于这段代码，我们来强调一个点，也算是对类和对象的复习：

// 严格按C++标准分析（不考虑编译器优化）：
Date* pd = new Date[2]{ {1,1,1},{2,2,2} };

// 这行代码的执行过程：
// 1. 调用operator new[]分配容纳2个Date对象的连续内存空间
// 2. 对于数组中的每个元素：
//    a. 首先用初始化列表 {1,1,1} 构造临时Date对象（调用普通构造函数）
//        Date temp1(1, 1, 1);
//    b. 然后用临时对象拷贝构造数组第一个元素（调用拷贝构造函数）
//        new(pd) Date(temp1);
//    c. 销毁临时对象（调用析构函数）
//        temp1.~Date();
//    
//    d. 用初始化列表 {2,2,2} 构造临时Date对象（调用普通构造函数）
//        Date temp2(2, 2, 2);
//    e. 然后用临时对象拷贝构造数组第二个元素（调用拷贝构造函数）
//        new(pd+1) Date(temp2);
//    f. 销毁临时对象（调用析构函数）
//        temp2.~Date();

在这里，已经看得很明白了： 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。对于内置类型前面说过，是几乎是一样的。

所以可以看出： 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。

四、operator 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，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。我们将会从底层两者的实现来进行了解

4.1 operator new

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（后续会针对抛异常单独写篇文章），现在我们只需知道如果申请内存失败了，这里会抛异常。

void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
    // try to allocate size bytes
    void* 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);
}

通过operator new函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间

4.2 operator delete

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_FINALLY
     return;
}

对于operator delete的实现貌似不像operator new一样，好像没有调用free()，实则不然，我们来看一下free()的实现

#define   free(p)   _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

可见，operator delete 最终是通过free来释放空间的。

那说这两个函数有什么用呢，那我们接着来看一下new和delete的实现原理。

五、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；
new 在申请空间失败时会抛出异常，malloc 会返回 NULL。

5.2 自定义类型

new 的原理

调用 operator new 函数申请空间；
在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造。

delete 的原理

在空间上执行析构函数，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 N 个对象空间的申请；
在申请的空间上执行 N 次构造函数。

delete[] 的原理

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；
调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间。

5.3 不同编译器的处理

我们前面说，new和delete，new[]和delete[]，匹配起来使用。那如果不匹配呢，我们来看看，对于Date类我这里就不在下面的代码中写了。

int main()
{
    Date* pd = new Date[10];

    delete pd;
    return 0;
}

结果：

为什么：这里我们转到反汇编瞅一眼，看不懂没关系，只需看懂一个点：

这里的size就是我们要开的内存空间，按常理说，我们要开120字节就行呀，为什么多了4字节呢？

此时用delete来释放空间，释放的就是pd此时指向的空间，故会出错。

所以，我们要new和delete，new[]和delete[]，匹配起来使用。

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。我们以上面的Date类来举例：

class Date
{
public:
    Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)
    {
        std::cout << "Date(int year = 2025, int month = 9, int day = 9)" << std::endl;
    }
    ~Date()
    {
        std::cout << "~Date()" << std::endl;
    }
private:
    int _year = 2024;
    int _month = 1;
    int _day = 1;
};
int main()
{
		//两者等价
		
    //Date* pd = new Date;
    //delete pd;
    
		//注意： pd现在指向的只不过是与Date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
    Date* pd = (Date*)operator new(sizeof(Date));
    new(pd)Date; 
    pd->~Date();
	  operator delete(pd);
	  
    return 0;
}

现在我们作为了解就行。

七、malloc/free和new/delete的区别

共同点
都是从堆上申请空间；
都需要用户手动释放。
不同点

特性	malloc/free	new/delete
本质	函数	操作符
初始化	不会初始化	可以初始化
空间大小计算	需手动计算并传递	只需指定类型或对象个数
返回值类型	void*，使用时必须强转	与类型匹配，无需强转
失败处理	返回 NULL，必须判空	抛出异常，需捕获处理
自定义类型对象的处理	只开辟空间，不调用构造/析构函数	调用构造函数初始化，调用析构函数清理