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引言

在系统级编程中，C/C++因其直接操作内存的能力而备受青睐，但这也意味着开发者需要承担内存管理的责任。内存泄露、段错误（Segmentation Fault）和悬空指针等问题往往源于对内存管理机制理解不足。本文将深入探讨C/C++内存管理的关键机制、常见陷阱等。

1、内存布局基础

C/C++程序运行时内存分为以下区域：

1. 栈（Stack）
   • 存储局部变量、函数参数。
   • 自动管理，采用后进先出（LIFO）模式，分配/回收由编译器隐式完成。
   • 容量有限，过度使用（例如无限递归）导致栈溢出（Stack Overflow）。

2. 堆（Heap）
   • 动态分配，需手动管理（malloc/free，new/delete）。
   • 容量较大但分配效率低于栈。
   • 内存泄露高发区。
3. 静态区
   • 存储全局变量、静态变量（static）。
   • 生命周期持续至程序结束。
4. 代码区
   • 存储可执行指令。

2、动态内存管理

2.1 C风格内存管理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {int *array = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);if (array == NULL) {perror("malloc");}free(array);return 0;
}

• malloc/calloc/realloc分配内存失败会返回NULL。
• 陷阱：
  • 忘记free导致内存泄露。
  • 重复释放（Double Free）。
  • 访问已释放内存（悬空指针）。
  • 需要手动计算分配空间大小，结构体类型容易疏忽导致分配内存大小错误。

2.2 C++运算符new/delete

#include <iostream>int main() {int* a = new int(10); // 分配空间并初始化std::cout << *a << std::endl;delete a;return 0;
}

#include <iostream>int main() {int* a = new int[10]; // 分配40字节大小空间for (int i = 0; i < 10; i++) {a[i] = i;}for (int i = 0; i < 10; i++) {std::cout << a[i] << std::endl;}delete[] a;return 0;
}

• 优势：
  • 自动计算大小，类型安全，无需显式类型转换。
  • 调用构造函数/析构函数。

#include <iostream>class Stack {
public:Stack(int n = 5) {data_ = new int[n];top_ = 0;capacity_ = n;}~Stack() {delete[] data_;top_ = capacity_ = 0;}
private:int* data_;int top_;int capacity_;
};int main() {Stack* p_stack = new Stack(10);delete p_stack;return 0;
}

#include <iostream>class Stack {
public:Stack(int n = 5) {data_ = new int[n];top_ = 0;capacity_ = n;}~Stack() {delete[] data_;top_ = capacity_ = 0;}
private:int* data_;int top_;int capacity_;
};int main() {Stack* p_stack = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));free(p_stack);return 0;
}

• 因此，new/delete非常适用于自定义类型动态开辟空间，可以完成类的初始化和释放类内动态开辟资源。

2.3 匹配使用问题

• malloc/free成对出现不必多说，new申请数组时，需要使用delete[]来搭配使用，如果单纯使用delete会发生什么现象呢？

class A {
public:A(int a = 0): a_(a) {}
private:int a_;
};int main() {A* pa = new A[10];delete pa;return 0;
}

• 以上代码会正常运行，这样看来使用delete来释放指向连续空间的指针也是可以的，但真的是这样吗？
• 让我们将代码变换一下：

class A {
public:A(int a = 0): a_(a) {}~A() {}
private:int a_;
};int main() {A* pa = new A[10];delete pa;return 0;
}

• 我们发现只是显式编写了析构函数，程序就报错了。
• 当我们显示定义了析构函数（即使它是空的），编译器对对象销毁的要求更加严格，错误地用delete释放new[]分配的内存会被明确指出。
• 因此在使用上，一定要匹配使用。

3、区别

1. malloc分配空间不会初始化，new可以初始化。
2. 在申请自定义类型空间时，malloc/free只申请/释放空间，new/delete会调用自定义类型的构造/析构函数，完成对象的初始化和释放资源。
3. malloc事情空间时需要手动计算空间大小，new后面只需要接类型即可，申请连续空间也只需要使用[n]指明申请数据量即可。
4. malloc申请空间失败返回NULL，new申请空间失败会抛异常。
5. malloc的返回值是void*，因此需要强制类型转换；new不需要。
6. malloc/free是函数，new/delete是操作符。