在C和C++中，高效的内存管理是编写性能优化和资源高效利用程序的关键。本文将深入探讨C/C++内存管理的各个方面，包括内存的分布、C语言和C++中的动态内存管理方式，以及new和delete操作符的使用
C/C++内存分布
C和C++程序的内存可以分为以下几个区域：
- 栈（Stack）：自动存储局部变量。当函数被调用时，局部变量在栈上创建，函数返回时，这些变量被销毁。
- 堆（Heap）：用于动态内存分配。与栈不同，堆上的内存分配和释放需要手动管理。
- 全局/静态存储区：存放全局变量和静态变量。这部分内存在程序启动时分配，在程序结束时释放。
- 文字常量区：常量字符串等常量数据存放的地方。它们在程序生命周期内不变。
- 程序代码区：存放程序执行代码的内存区域。
理解这些区域对于避免内存泄漏和优化程序性能至关重要。
C语言中动态内存管理方式
C语言提供了几种动态内存管理的方法，包括：
malloc：分配指定大小的内存块。分配的内存未初始化，可能包含垃圾数据。calloc：分配并初始化指定数量的内存块。初始化为零。realloc：重新分配之前分配的内存块的大小。free：释放之前分配的内存块。
这些函数允许程序在运行时根据需要分配和释放内存，但也需要开发者负责管理这些内存，以避免内存泄漏。
#include <stdlib.h>
void dynamicMemoryExample() {
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 4); // 分配内存
if (ptr != NULL) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
ptr[i] = i; // 使用内存
}
}
free(ptr); // 释放内存
}
C++中动态内存管理
C++提高了动态内存管理的抽象层次，通过new和delete操作符提供更为直观和安全的方式来处理内存。
- 使用
new分配内存不仅会分配内存，还会调用对象的构造函数，这提供了初始化对象的机会。 - 使用
delete释放内存时，会调用对象的析构函数，然后释放内存，这提供了清理资源的机会
#include <iostream>
void dynamicMemoryExampleInCpp() {
int* ptr = new int(10); // 动态分配内存并初始化
std::cout << *ptr << std::endl; // 使用内存
delete ptr; // 释放内存，并调用析构函数
}
void Test()
{
// 动态申请一个int类型的空间
int* ptr4 = new int;
// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
int* ptr5 = new int(10);
// 动态申请10个int类型的空间
int* ptr6 = new int[3];
delete ptr4;
delete ptr5;
delete[] ptr6;
}
new和delete操作自定义类型
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << this << endl;}
~A()
{
cout << "~A():" << this << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
// 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 = new A(1);
free(p1);
delete p2;
// 内置类型是几乎是一样的
int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); // C
int* p4 = new int;
free(p3);
delete p4;
A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A)*10);
A* p6 = new A[10];
free(p5);
delete[] p6;
return 0;
}
operator new与operator delete函数
在C++中，new和delete不仅仅是操作符，它们背后实际上是调用了operator new和operator delete函数。这两个函数负责分配和释放动态内存。重要的是，C++允许开发者重载这些函数来提供自定义的内存管理策略。
自定义内存管理
自定义内存管理通常用于优化性能，例如通过实现特定的内存池来避免频繁地向操作系统请求小块内存。这样可以显著减少内存碎片以及提高内存分配和释放的效率。
#include <iostream>
#include <cstdlib>
void* operator new(size_t size) {
std::cout << "Custom new for size: " << size << std::endl;
return malloc(size);
}
void operator delete(void* memory) noexcept {
std::cout << "Custom delete" << std::endl;
free(memory);
}
通过这个简单的例子，我们看到了如何拦截所有的new和delete调用，以便在分配和释放内存时执行自定义逻辑
new和delete的实现原理
new操作符在底层调用operator new函数来分配内存，并在成功分配内存后调用对象的构造函数。相似地，delete操作符首先调用对象的析构函数，然后调用operator delete函数来释放内存。
这种分离使得new和delete不仅仅关注内存的分配和释放，还能确保对象生命周期的正确管理。
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
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
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
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
也就是说当调用delete[]的时候，地址的第一个字节处存放的是n,也就是需要调用n次析构，如果我们使用的是delete,默认从当前位置开始析构，那么位置就会出错。
定位new表达式(placement-new)
定位new表达式是C++中的一个高级特性，允许在已分配的内存上构造对象。这对于内存池、缓存管理等场景非常有用，因为它允许重复使用已分配的内存来创建新对象，避免了频繁的内存分配和释放操作。
#include <new> // 必须包含这个头文件
char buffer[1024]; // 预分配内存
void placementNewExample() {
int* p = new (buffer) int(10); // 在buffer上构造int对象
// 使用p...
}
使用定位new表达式时，需要确保操作的内存足够大且正确对齐，以容纳指定类型的对象。
常见面试题
内存区域划分
问：请描述C/C++程序中的内存区域划分。
答：C/C++程序的内存分为栈、堆、全局/静态存储区、文字常量区和程序代码区。
动态内存管理
问：malloc和new的区别是什么？
答：malloc仅分配内存，不调用构造函数；new分配内存的同时调用构造函数初始化对象。相应地，free与delete的区别在于delete会先调用析构函数再释放内存。
定位new
问：什么是定位new表达式，它有什么用途？
答：定位new表达式允许在已分配的内存上构造对象。这在需要在特定位置创建对象，或者在内存池、缓存管理等场景下重复使用内存时非常有用。
通过本文，我们深入探讨了C/C++中的内存管理，从基本的内存区域划分到高级特性如定位new表达式，以及如何通过重载operator new和operator delete来实现自定义内存管理策略。理解这些概念不仅对于写出高性能的C/C++代码至关重要，也是面试中常见的问题。希望这篇博客能帮助你在C/C++内存管理方面达到新的高度！
