news 2026/8/13 11:34:35

【C++学习之路05】搞懂C++内存管理:内存分区、new/delete与malloc/free的本质区别

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张小明

前端开发工程师

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【C++学习之路05】搞懂C++内存管理:内存分区、new/delete与malloc/free的本质区别

1. c++/c的内存分布

c++/c的内存分布可参考下图:

说明:

  1. 又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等,栈是向下增长的。

  2. 内存映射段是高效的I/O映射方式,用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口
    创建共享共享内存,做进程间通信。

  3. 用于程序运行时动态内存分配,堆是可以上增长的。

  4. 数据段–存储全局数据和静态数据。

  5. 代码段–可执行的代码/只读常量。

实例解析:

2.C++内存管理方式

我们知道c语言的内存管理是通过malloc/calloc/realloc实现的,这种内存管理在c++中同样可以继续使用,但在某些地方使用比较麻烦,所以c++推出了自己的内存管理:通过new和delete操作符进行动态内存管理

2.1 对内置类型的管理

代码解析

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;}

图片解析

**说明:**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。

2.2 对自定义类型的管理

代码解析

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));//cA*p2=newA(1);//c++free(p1);deletep2;// 内置类型是几乎是一样的int*p3=(int*)malloc(sizeof(int));// Cint*p4=newint;//c++free(p3);deletep4;A*p5=(A*)malloc(sizeof(A)*10);A*p6=newA[10];free(p5);delete[]p6;return0;}

**注意:**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。

3. 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。

3.1 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,尝试执行空间不足的应对措施,如果该应对措施用户设置了,则继续申请,否
则抛异常。

operator new底层代码:

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);}

3.2 operator delete

该函数最终是通过free来释放空间的

operator delete底层代码

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));//这里的_free_dbg就是free,因为:#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)_free_dbg(pUserData,pHead->nBlockUse);__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);/* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;}

**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. new和delete的实现原理

** 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

5. 定位new表达式

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。

代码解析

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;}

6. 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
    空间中资源的清理释放。

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