C++ 中new/delete与malloc/free详解

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前言

对C++学习感兴趣的可以看看这篇文章哦：C/C++教程

一、new/delete

1. 序言

在 C++ 的程序设计中，动态内存分配是非常常见的操作。new 和 delete 是 C++ 中提供的动态内存分配运算符，它们可以用于动态分配任意类型的内存，并且不需要显式地指定内存块的大小。

2. 使用方法

2.1. new 和 delete 基本语法

new 和 delete 是 C++ 中的关键字，用于动态分配和释放内存。下面是 new 和 delete 的基本语法：

// 动态分配一个对象
Type* p = new Type;// 释放已经分配的对象
delete p;

其中 Type 表示要动态分配的数据类型，p 是一个指向该数据类型的指针。当执行 new Type 操作时，系统会为该类型的对象分配一块内存，并返回指向这个内存块的指针。当不再需要这个对象时，可以通过 delete 操作来释放这块内存。

如果需要同时分配多个对象，可以使用如下语法：

// 动态分配一个数组
Type* p = new Type[n];// 释放已经分配的数组
delete [] p;

其中 n 表示要分配的对象个数，p 是一个指向 Type 类型数组的指针。

需要注意的是，在使用 new 进行动态内存分配时，如果发生内存不足的情况，则会抛出 std::bad_alloc 异常。因此，在程序中应该对这种异常进行处理。

2.2. new 和 delete 的底层实现原理

new 和 delete 在底层实现上也有一些细节需要注意。在执行 new Type 操作时，实际上是依次进行了以下几个步骤：

1. 调用 operator new 函数来申请一块大小为 sizeof(Type) 的内存。
2. 调用类的构造函数来初始化申请到的内存空间。
3. 返回指向申请到的内存空间的指针。

而在执行 delete p 操作时，实际上是依次进行了以下几个步骤：

1. 调用类的析构函数来释放对象占用的资源。
2. 调用 operator delete 函数来释放对象所占用的内存。

其中 operator new 和 operator delete 都是 C++ 中提供的关键字。operator new 函数负责申请内存，而 operator delete 函数负责释放内存。

需要注意的是，和 malloc/free 不同的是，new/delete 能够调用类的构造和析构函数，并自动计算所需的内存空间大小。这也是使用 new/delete 的一大优势。

3. 底层原理

3.1. operator new 和 operator delete

C++ 中的 operator new 函数和 operator delete 函数是用来动态分配和释放内存的。operator new 函数负责申请内存，而 operator delete 函数负责释放内存。

下面是 operator new 的一种实现方式：

void* operator new(size_t size) {if (size == 0) {size = 1;}void* ptr = malloc(size);if (!ptr) {throw std::bad_alloc();}return ptr;
}

其中 size 表示要申请的内存空间大小。如果该值为 0，则将其设置为 1。然后调用 malloc 函数来申请指定大小的内存空间，如果申请失败，则抛出 std::bad_alloc 异常。

下面是 operator delete 的一种实现方式：

void operator delete(void ptr) noexcept {free(ptr); 
}

其中 ptr 是要释放的内存空间指针。这里使用了 noexcept 关键字来表明该函数不会抛出任何异常。

注意，在使用 operator new 和 operator delete 函数时，需要自己负责调用类的构造函数和析构函数。

3.2. new 和 delete 的底层实现原理

new 和 delete 关键字在底层实现上实际上是对 operator new 和 operator delete 函数进行了封装和重载，以方便程序员使用。下面是 new 和 delete 的一种实现方式：

void* operator new(size_t size) {if (size == 0) {size = 1;}void* ptr = malloc(size);if (!ptr) {throw std::bad_alloc();}return ptr;
}void operator delete(void* ptr) noexcept {free(ptr);
}void* operator new[](size_t size) {if (size == 0) {size = 1;}void* ptr = malloc(size);if (!ptr) {throw std::bad_alloc();}return ptr;
}void operator delete[](void* ptr) noexcept {free(ptr);
}

可以看到，new 和 delete 实际上是对 operator new 和 operator delete 进行了重载。

注意，对于复杂数据结构，使用new[] 申请多个内存时，会多申请一块4字节的内存，用于存储当前申请的数量，用于delete[]知道调用几次对象的析构函数，但这个数据对外不可见

4. 注意事项

在使用 new/delete 进行动态内存分配时，需要注意以下几点：

• 内存泄漏：必须及时释放不再使用的内存，否则可能会导致内存泄漏。
• 悬空指针：已经释放的内存块指针不能再被访问，否则可能会导致程序崩溃或出现其他的不可预测的错误。
• 不要重复释放内存：同一个内存块只能被释放一次，否则可能会导致程序崩溃或出现其他的不可预测的错误。
• 多线程环境：在多个线程同时访问同一块内存时，需要采用适当的同步机制来保证线程安全。

5. 总结

在 C++ 编程中，应该根据具体情况选择适当的动态内存分配方式，在使用动态内存分配时应该遵循良好的编程习惯，确保程序的正确性和稳定性。同时，也需要注意避免内存泄漏、悬空指针、重复释放内存等问题，保证程序的健壮性和稳定性。

二、malloc/free

1. 序言

malloc 和 free 是 C 中提供的动态内存分配函数，它们可以用于动态分配任意类型的内存，并且不需要显式地指定内存块的大小

2. 使用方法

2.1. malloc 和 free 基本语法

malloc 和 free 是 C中的函数，用于动态分配和释放内存。下面是 malloc 和 free 的基本语法：

// 动态分配一块内存
Type* p = (Type*)malloc(sizeof(Type));// 释放已经分配的内存
free(p);

其中 Type 表示要动态分配的数据类型，p 是一个指向该数据类型的指针。当执行 malloc(sizeof(Type)) 操作时，系统会为该类型的对象分配一块内存，并返回指向这个内存块的指针。当不再需要这个对象时，可以通过 free 操作来释放这块内存。

需要注意的是，在使用 malloc 进行动态内存分配时，如果发生内存不足的情况，则会返回空指针。因此，在程序中应该对这种情况进行处理。

2.2. malloc 和 free 的底层实现原理

malloc 和 free 在底层实现上也有一些细节需要注意。在执行 malloc(sizeof(Type)) 操作时，实际上是依次进行了以下几个步骤：

1. 调用系统函数 sbrk 来扩展程序的数据段。（windows则会调用win API来实现这一功能）
2. 将申请到的内存块与已经使用的内存块链接起来。
3. 返回指向申请到的内存空间的指针。

而在执行 free(p) 操作时，实际上是依次进行了以下几个步骤：

1. 将 p 所指向的内存块标记为未使用。
2. 将 p 所指向的内存块与其他未使用的内存块合并起来。
3. 如果合并后的内存块没有被占用，则释放该内存块。

需要注意的是，在使用 malloc/free 进行动态内存分配时，需要自己负责调用类的构造函数和析构函数，并且无法计算所需的内存空间大小。

3. 底层原理

3.1. sbrk 函数

sbrk 函数是一个系统调用，用于扩展程序的数据段。在 Linux 系统中，sbrk 函数可以返回当前堆顶部地址，并且可以将堆顶部地址向上或向下移动指定的字节数。

下面是一个简单的示例，演示了如何使用 sbrk 函数来获取当前堆顶部地址：

#include <unistd.h>
#include <iostream>int main() {void* p1 = sbrk(0);  // 获取当前堆顶部地址std::cout << "p1 = " << p1 << std::endl;void* p2 = sbrk(1024);  // 将堆顶部地址向上移动 1024 字节std::cout << "p2 = " << p2 << std::endl;void* p3 = sbrk(-512);  // 将堆顶部地址向下移动 512 字节std::cout << "p3 = " << p3 << std::endl;void* p4 = sbrk(0);  // 再次获取当前堆顶部地址std::cout << "p4 = " << p4 << std::endl;return 0;
}

而window系统也有自己的win API可以用于分配堆内存

3.2. 内存块管理

malloc 和 free 在底层实现上还需要进行内存块的管理。在使用 malloc 进行动态内存分配时，系统会为申请的内存块添加一些额外的信息

例如内存块的大小、指向下一个内存块的指针等。这些信息会被保存在内存块的开始位置，并且不会影响用户程序对内存空间的访问。

下面是一个简单的示例，演示了如何通过 malloc 函数获取一块内存，以及内存块中包含的信息：

#include <iostream>
#include <cstdlib>int main() {int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);  // 动态分配一块内存，可以存放 10 个 int 类型的变量if (!p) {std::cout << "Memory allocation failed" << std::endl;return -1;}std::cout << "Allocate memory at address " << p << std::endl;std::cout << "The size of the memory block is " << sizeof(int) * 10 << " bytes" << std::endl;int* next_p = (int*)(((char*)p) + sizeof(int) * 10);std::cout << "The pointer to the next memory block is " << next_p << std::endl;free(p);  // 释放内存return 0;
}

3.3. 内存对齐

在使用 malloc 进行动态内存分配时，需要考虑内存对齐的问题。

所谓内存对齐，就是指将数据类型放置在内存中的地址必须满足一定的条件。

具体来说，每个数据类型都有一个与之相关联的对齐值，这个对齐值通常等于该数据类型的大小（例如 int 的对齐值为 4 字节）。在进行内存分配时，系统会确保申请到的内存块的起始地址是对齐值的整数倍。

下面是一个简单的示例，演示了如何通过 malloc 函数获取一块内存，并展示内存对齐的效果：

#include <iostream>
#include <cstdlib>struct MyStruct {double x;char c;int i;
};int main() {std::cout << "Size of MyStruct is " << sizeof(MyStruct) << " bytes" << std::endl;MyStruct* p1 = (MyStruct*)malloc(sizeof(MyStruct));if (!p1) {std::cout << "Memory allocation failed" << std::endl;return -1;}std::cout << "Allocate memory at address " << p1 << std::endl;char* p2 = (char*)p1;for (int i = 0; i < sizeof(MyStruct); ++i) {std::cout << (int)p2[i] << " ";}std::cout << std::endl;free(p1);  // 释放内存return 0;
}

可以看到，在分配 MyStruct 类型的内存时，系统会确保返回的起始地址是 double 类型大小的整数倍。

4. 注意事项

在使用 malloc/free 进行动态内存分配时，需要注意以下几点：

• 内存泄漏：必须及时释放不再使用的内存，否则可能会导致内存泄漏。
• 悬空指针：已经释放的内存块指针不能再被访问，否则可能会导致程序崩溃或出现其他的不可预测的错误。
• 不要重复释放内存：同一个内存块只能被释放一次，否则可能会导致程序崩溃或出现

其他的不可预测的错误。

• 内存越界：访问已经释放的内存块，或者访问超出分配的内存块范围的地址，都可能会导致程序崩溃或出现其他的不可预测的错误。
• 不要混用 malloc/free 和 new/delete：在同一个程序中应该统一使用一种内存分配方式，不要混用 malloc/free 和 new/delete，否则可能会导致内存管理出现问题。

5. new/delete 与 malloc/free 的区别

new 和 delete 是 C++ 中提供的动态内存分配运算符，它们和 malloc/free 在功能上是类似的。

new/delete 的使用方法比 malloc/free 更简单直观。另外，new/delete 还有以下几个优点：

• 类型安全：new/delete 可以根据类型自动计算所需的内存空间大小，无需手动指定。
• 自动调用构造函数和析构函数：new 可以自动调用类的构造函数，delete 可以自动调用类的析构函数，更方便地管理对象的生命周期。
• 支持重载：new/delete 运算符可以被重载，从而可以实现一些特殊的功能。

需要注意的是，在使用 new/delete 进行动态内存分配时，同样可能会出现内存泄漏、悬空指针、内存越界等问题。因此，在编写程序时，必须仔细处理动态内存分配和释放的问题，避免出现以上问题。

6. 总结

在使用动态内存分配的过程中，需要注意内存泄漏、悬空指针、内存越界等问题，同时还需要根据具体情况选择合适的内存分配方式。