C语言与C++内存管理超详细分析

什么是内存管理

内存管理是指程序员在使用内存时进行的一系列控制手段，主要包括内存的申请、使用和释放等。

内存管理的目的是为了让程序具有更好的性能和稳定性，同时避免出现内存泄漏、内存溢出等问题，保证程序的正确性。

C语言中的内存管理

动态内存分配

在C语言中，动态内存分配通过库函数malloc、calloc和realloc实现。它们的原型分别为：

void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nitems, size_t size);
void *realloc(void *ptr, size_t size);

malloc(size_t size)函数用于在堆内存中申请size字节的空间，返回值为指向该地址的指针。

calloc(size_t nitems, size_t size)函数用于在堆内存中申请nitems个长度为size字节的连续空间，返回值为指向该地址的指针。

realloc(void *ptr, size_t size)函数用于重新分配ptr所指向的内存空间大小，由原先的size字节变为新的size字节。返回值为指向该地址的指针。

需要注意的是，malloc和realloc在申请空间时可能会失败，此时会返回NULL。

内存释放

在使用完动态内存后，需要及时释放这些内存，以免造成内存泄露等问题。

在C语言中，通过free函数来释放动态内存，其原型为：

void free(void *ptr);

ptr为先前分配的内存地址。

需要注意的是，释放一个NULL指针不会造成错误。

代码示例

以下是一个简单的C语言动态内存分配与释放的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        printf("Memory allocation failed.\n");
        exit(1);
    }

    *p = 123;
    printf("p = %d\n", *p);

    free(p);
    return 0;
}

在上面的示例中，首先使用malloc函数申请了一个int数据类型的内存空间，并将其地址赋值给指针变量p。在使用完后，通过free函数释放了这个内存空间。

C++中的内存管理

动态内存分配

在C++中，动态内存分配与C语言一样，主要采用了关键字new和delete来实现。

使用new操作符，可以动态分配一个对象，其语法为：

new 数据类型
new 数据类型[数组大小]

其中，第一种形式是创建一个单独的对象，第二种形式是创建一个对象数组，返回值为指向数组开头的指针。

new在堆上为对象分配内存，在对象所属的类有构造函数时，会自动调用构造函数并返回对象的指针。当内存不足以分配新对象时，会抛出bad_alloc异常。

使用delete操作符可以释放一个对象或对象数组，其语法为：

delete 指针
delete [] 指针

需要注意的是，释放一个野指针或重复释放同一块内存会导致程序崩溃。

智能指针

使用智能指针可以更方便地管理动态内存，有效避免内存泄露问题。

标准C++库中提供了多种智能指针，如unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。

其中，unique_ptr是一种独占式智能指针，它指向唯一的对象并保证自动释放内存。当指针被销毁时，它所指向的对象会被删除。

shared_ptr是一种共享式智能指针，多个指针可以共同指向同一个对象，当所有指针销毁后，它所指向的对象会被删除。

weak_ptr是shared_ptr的一种辅助指针，它不会增加对象的引用计数，也不会阻止对象的销毁，它主要用于避免shared_ptr循环引用导致的内存泄漏。

代码示例

以下是一个简单的C++动态内存分配与释放的示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main()
{
    std::unique_ptr<int> p(new int(123));
    std::cout << "p = " << *p << std::endl;

    std::shared_ptr<int> q = std::make_shared<int>(456);
    std::cout << "q = " << *q << std::endl;

    std::weak_ptr<int> r = q;
    std::cout << "r = " << *(r.lock()) << std::endl;

    return 0;
}

在上面的示例中，首先使用unique_ptr类创建一个指向int对象的智能指针p，在使用完后会自动释放它所占用的内存空间。

接着使用shared_ptr类创建一个智能指针q，并使用make_shared函数对其初始化，最终指向一个int对象。r是一个指向q对象的弱指针，即使所有指向q的智能指针都销毁了，其指向的对象也不会被自动销毁，而需要手动释放。