news 2026/4/30 10:10:41

一文详解C++中动态内存管理

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
一文详解C++中动态内存管理

前言

在我们日常写代码的过程中，我们对内存空间的需求有时候在程序运行的时候才能知道，这时候我们就需要使用动态开辟内存的方法。

1、C/C++程序的内存开辟

首先我们先了解一下C/C++程序内存分配的几个区域：

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intglobalVar = 1;

staticintstaticGlobalVar = 1;

voidTest()

{

staticintstaticVar = 1;

intlocalVar = 1;

intnum1[10] = { 1, 2, 3, 4 };

charchar2[] ="abcd";

constchar* 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);

}

  • 1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
  • 2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
  • 3. 数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
  • 4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

这幅图中，我们可以发现普通的局部变量是在栈上分配空间的，在栈区中创建的变量出了作用域去就会自动销毁。但是被static修饰的变量是存放在数据段(静态区)，在数据段上创建的变量直到程序结束才销毁，所以数据段上的数据生命周期变长了。

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

在C语言中，我们经常会用到malloc,calloc和realloc来进行动态的开辟内存；同时，C语言还提供了一个函数free，专门用来做动态内存的释放和回收。其中他们三个的区别也是我们需要特别所强调区别的。

2.1malloc、calloc、realloc区别？

malloc函数是向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

calloc与malloc的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0。

realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整。

我们通过这三个函数的定义也可以进行功能的区分：

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voidTest ()

{

int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));

free(p1);

int* p2 = (int*)calloc(4,sizeof(int));

int* p3 = (int*)realloc(p2,sizeof(int)*10);

free(p3 );

}

3.C++内存管理方式

我们都知道，C++语言是兼容C语言的，因此C语言中内存管理方式在C++中可以继续使用。但是有些地方就无能为力了，并且使用起来也可能比较麻烦。因此，C++拥有自己的内管管理方式：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

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intmain()

{

// 动态申请一个int类型的空间

int* ptr1 =newint;

// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10

int* ptr2 =newint(10);

// 动态申请3个int类型的空间(数组)

int* ptr3 =newint[3];

// 动态申请3个int类型的空间,初始化第一个空间值为1

int* ptr4 =newint[3]{ 1 };

deleteptr1;

deleteptr2;

delete[] ptr3;

delete[] ptr4;

return0;

}

我们首先通过画图分析进行剖析代码：

我们在监视窗口看看这3个变量

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[]，要匹配起来使用。

3.2 new和delete操作自定义类型

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classA {

public:

A(inta = 0)

: _a(a)

{

cout <<"A():"<<this<< endl;

}

~A()

{

cout <<"~A():"<<this<< endl;

}

private:

int_a;

};

intmain()

{

A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));

A* p2 =newA(1);

free(p1);

deletep2;

return0;

}

在这段代码中，p1是我们使用malloc开辟的，p2是通过new来开辟的。我们编译运行这段代码。

发现输出了这两句，那这两句是谁调用的呢?我们通过调试逐语句来分析这个过程

内置类型区别

注意：在申请自定义类型的空间时，new会自动调用构造函数，delete时会调用析构函数，而malloc和free不会。

3.3new和malloc处理失败

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intmain()

{

void* p0 =malloc(1024 * 1024 * 1024);

cout << p0 << endl;

//malloc失败，返回空指针

void* p1 =malloc(1024 * 1024 * 1024);

cout << p1 << endl;

try

{

//new失败，抛异常

void* p2 =newchar[1024 * 1024 * 1024];

cout << p2 << endl;

}

catch(constexception& e)

{

cout << e.what() << endl;

}

return0;

}

我们能够发现，malloc失败时会返回空指针，而new失败时，会抛出异常。

4.operator new与operator delete函数

4.1 operator new与operator delete函数

C++标准库还提供了operator new和operator delete函数，但是这两个函数并不是对new和delete的重载，operator new和operator delete是两个库函数。(这里C++大佬设计时这样取名确实很容易混淆)

4.1.1 我们看看operator new库里面的源码

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void* __CRTDECL operatornew(size_tsize) _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

staticconststd::bad_alloc nomem;

_RAISE(nomem);

}

return(p);

}

库里面operator new的作用是封装了malloc，如果malloc失败，抛出异常。

4.1.2 operator delete库里面的源码

该函数最终是通过free来释放空间的

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//operator delete 源码

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_FINALLY

return;

}

/*

free的实现

*/

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

4.1.3 operator new和operator delete的价值(重点)

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classA {

public:

A(inta = 0)

: _a(a)

{

cout <<"A():"<<this<< endl;

}

~A()

{

cout <<"~A():"<<this<< endl;

}

private:

int_a;

};

intmain()

{

//跟malloc功能一样，失败以后抛出异常

A* ps1 = (A*)operatornew(sizeof(A));

operatordelete(ps1);

A* ps2 = (A*)malloc(sizeof(A));

free(ps2);

A* ps3 =newA;

deleteps3;

return0;

}

我们使用new的时候，new要开空间，要调用构造函数。new可以转换成call malloc，call 构造函数。但是call malloc 一旦失败，会返回空指针或者错误码。在面向对象的语言中更喜欢使用异常。而operator new相比较malloc的不同就在于如果一旦失败会抛出异常，因此new的底层实现是调用operator new，operator new会调用malloc(如果失败抛出异常)，再调用构造函数。

我们通过汇编看一下ps3

operator delete同理。

总结：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。

4.2 重载operator new 与 operator delete（了解）

专属的operator new技术，提高效率。应用：内存池

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classA {

public:

A(inta = 0)

: _a(a)

{

cout <<"A():"<<this<< endl;

}

// 专属的operator new

void* operatornew(size_tn)

{

void* p = nullptr;

p = allocator<A>().allocate(1);

cout <<"memory pool allocate"<< endl;

returnp;

}

voidoperatordelete(void* p)

{

allocator<A>().deallocate((A*)p, 1);

cout <<"memory pool deallocate"<< endl;

}

~A()

{

cout <<"~A():"<<this<< endl;

}

private:

int_a;

};

intmain()

{

intn = 0;

cin >> n;

for(inti = 0; i < n; ++i)

{

A* ps1 =newA;//operator new + A的构造函数

}

return0;

}

注意：一般情况下不需要对 operator new 和 operator delete进行重载，除非在申请和释放空间时候有某些特殊的需求。比如：在使用new和delete申请和释放空间时，打印一些日志信息，可以简单帮助用户来检测是否存在内存泄漏。

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

5.2.1 new原理
  • 1、调用operator new函数申请空间
  • 2、再调用构造函数，完成对对象的构造。

5.2.2 delete原理
  • 1、先调用析构函数，完成对对象中资源的清理工作。
  • 2、调用operator delete函数释放对象的空间

5.2.3 new T[N]原理
  • 1、先调用operator new[]函数，在operator new[]中世纪调用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

5.2.4 delete[]原理
  • 1、在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成对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。
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