new和malloc函數(shù)詳細(xì)分析底層邏輯

申請(qǐng)的內(nèi)存所在位置

new操作符從自由存儲(chǔ)區(qū)（free store）上為對(duì)象動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存空間，而malloc函數(shù)從堆上動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。自由存儲(chǔ)區(qū)是C++基于new操作符的一個(gè)抽象概念，凡是通過new操作符進(jìn)行內(nèi)存申請(qǐng)，該內(nèi)存即為自由存儲(chǔ)區(qū)。而堆是操作系統(tǒng)中的術(shù)語，是操作系統(tǒng)所維護(hù)的一塊特殊內(nèi)存，用于程序的內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，C語言使用malloc從堆上分配內(nèi)存，使用free釋放已分配的對(duì)應(yīng)內(nèi)存。

那么自由存儲(chǔ)區(qū)是否能夠是堆（問題等價(jià)于new是否能在堆上動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存），這取決于operator new 的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。自由存儲(chǔ)區(qū)不僅可以是堆，還可以是靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，這都看operator new在哪里為對(duì)象分配內(nèi)存。

特別的，new甚至可以不為對(duì)象分配內(nèi)存！定位new的功能可以辦到這一點(diǎn)：

new (place_address) type

place_address為一個(gè)指針，代表一塊內(nèi)存的地址。當(dāng)使用上面這種僅以一個(gè)地址調(diào)用new操作符時(shí)，new操作符調(diào)用特殊的operator new，也就是下面這個(gè)版本：

void * operator new (size_t,void *) //不允許重定義這個(gè)版本的operator new

這個(gè)operator new不分配任何的內(nèi)存，它只是簡(jiǎn)單地返回指針實(shí)參，然后右new表達(dá)式負(fù)責(zé)在place_address指定的地址進(jìn)行對(duì)象的初始化工作。

2.返回類型安全性

new操作符內(nèi)存分配成功時(shí)，返回的是對(duì)象類型的指針，類型嚴(yán)格與對(duì)象匹配，無須進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，故new是符合類型安全性的操作符。而malloc內(nèi)存分配成功則是返回void * ，需要通過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換將void*指針轉(zhuǎn)換成我們需要的類型。
類型安全很大程度上可以等價(jià)于內(nèi)存安全，類型安全的代碼不會(huì)試圖方法自己沒被授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域。關(guān)于C++的類型安全性可說的又有很多了。

3.內(nèi)存分配失敗時(shí)的返回值

new內(nèi)存分配失敗時(shí)，會(huì)拋出bac_alloc異常，它不會(huì)返回NULL；malloc分配內(nèi)存失敗時(shí)返回NULL。
在使用C語言時(shí)，我們習(xí)慣在malloc分配內(nèi)存后判斷分配是否成功：

int *a  = (int *)malloc ( sizeof (int ));
if(NULL == a)
{
    ...
}
else 
{
    ...
}

從C語言走入C++陣營(yíng)的新手可能會(huì)把這個(gè)習(xí)慣帶入C++：

int * a = new int();
if(NULL == a)
{
    ...
}
else
{   
    ...
}

實(shí)際上這樣做一點(diǎn)意義也沒有，因?yàn)閚ew根本不會(huì)返回NULL，而且程序能夠執(zhí)行到if語句已經(jīng)說明內(nèi)存分配成功了，如果失敗早就拋異常了。正確的做法應(yīng)該是使用異常機(jī)制：

try
{
    int *a = new int();
}
catch (bad_alloc)
{
    ...
}

如果你想順便了解下異?；A(chǔ)，可以看
http://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5136883.htmlC++ 異常機(jī)制分析。

4.是否需要指定內(nèi)存大小

使用new操作符申請(qǐng)內(nèi)存分配時(shí)無須指定內(nèi)存塊的大小，編譯器會(huì)根據(jù)類型信息自行計(jì)算，而malloc則需要顯式地指出所需內(nèi)存的尺寸。

class A{...}
A * ptr = new A;
A * ptr = (A *)malloc(sizeof(A)); //需要顯式指定所需內(nèi)存大小sizeof(A);

當(dāng)然了，我這里使用malloc來為我們自定義類型分配內(nèi)存是不怎么合適的，請(qǐng)看下一條。

5.是否調(diào)用構(gòu)造函數(shù)/析構(gòu)函數(shù)

使用new操作符來分配對(duì)象內(nèi)存時(shí)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)步驟：

第一步：調(diào)用operator new 函數(shù)（對(duì)于數(shù)組是operator new[]）分配一塊足夠大的，原始的，未命名的內(nèi)存空間以便存儲(chǔ)特定類型的對(duì)象。

第二步：編譯器運(yùn)行相應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)以構(gòu)造對(duì)象，并為其傳入初值。

第三部：對(duì)象構(gòu)造完成后，返回一個(gè)指向該對(duì)象的指針。

使用delete操作符來釋放對(duì)象內(nèi)存時(shí)會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)步驟：

第一步：調(diào)用對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)。

第二步：編譯器調(diào)用operator delete(或operator delete[])函數(shù)釋放內(nèi)存空間。

總之來說，new/delete會(huì)調(diào)用對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)/析構(gòu)函數(shù)以完成對(duì)象的構(gòu)造/析構(gòu)。而malloc則不會(huì)。如果你不嫌啰嗦可以看下我的例子：

class A
{
public:
    A() :a(1), b(1.11){}
private:
    int a;
    double b;
};
int main()
{
    A * ptr = (A*)malloc(sizeof(A));
    return 0;
}

在return處設(shè)置斷點(diǎn)，觀看ptr所指內(nèi)存的內(nèi)容：

可以看出A的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)并沒有被調(diào)用，因?yàn)閿?shù)據(jù)成員a,b的值并沒有得到初始化，這也是上面我為什么說使用malloc/free來處理C++的自定義類型不合適，其實(shí)不止自定義類型，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中凡是需要構(gòu)造/析構(gòu)的類型通通不合適。

而使用new來分配對(duì)象時(shí)：

int main()
{
    A * ptr = new A;
}

查看程序生成的匯編代碼可以發(fā)現(xiàn)，A的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用了：

6.對(duì)數(shù)組的處理

C++提供了new[]與delete[]來專門處理數(shù)組類型:

    A * ptr = new A[10];//分配10個(gè)A對(duì)象

使用new[]分配的內(nèi)存必須使用delete[]進(jìn)行釋放：

    delete [] ptr;

new對(duì)數(shù)組的支持體現(xiàn)在它會(huì)分別調(diào)用構(gòu)造函數(shù)函數(shù)初始化每一個(gè)數(shù)組元素，釋放對(duì)象時(shí)為每個(gè)對(duì)象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。注意delete[]要與new[]配套使用，不然會(huì)找出數(shù)組對(duì)象部分釋放的現(xiàn)象，造成內(nèi)存泄漏。

至于malloc，它并知道你在這塊內(nèi)存上要放的數(shù)組還是啥別的東西，反正它就給你一塊原始的內(nèi)存，在給你個(gè)內(nèi)存的地址就完事。所以如果要?jiǎng)討B(tài)分配一個(gè)數(shù)組的內(nèi)存，還需要我們手動(dòng)自定數(shù)組的大小：

int * ptr = (int *) malloc( sizeof(int)* 10 );//分配一個(gè)10個(gè)int元素的數(shù)組

7.new與malloc是否可以相互調(diào)用

operator new /operator delete的實(shí)現(xiàn)可以基于malloc，而malloc的實(shí)現(xiàn)不可以去調(diào)用new。下面是編寫operator new /operator delete 的一種簡(jiǎn)單方式，其他版本也與之類似：

void * operator new (sieze_t size)
{
    if(void * mem = malloc(size)
        return mem;
    else
        throw bad_alloc();
}
void operator delete(void *mem) noexcept
{
    free(mem);
}

8.是否可以被重載

opeartor new /operator delete可以被重載。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是定義了operator new函數(shù)和operator delete函數(shù)的8個(gè)重載版本：

//這些版本可能拋出異常
void * operator new(size_t);
void * operator new[](size_t);
void * operator delete (void * )noexcept;
void * operator delete[](void *0）noexcept;
//這些版本承諾不拋出異常
void * operator new(size_t ,nothrow_t&) noexcept;
void * operator new[](size_t, nothrow_t& );
void * operator delete (void *,nothrow_t& )noexcept;
void * operator delete[](void *0,nothrow_t& ）noexcept;

我們可以自定義上面函數(shù)版本中的任意一個(gè)，前提是自定義版本必須位于全局作用域或者類作用域中。太細(xì)節(jié)的東西不在這里講述，總之，我們知道我們有足夠的自由去重載operator new /operator delete ,以決定我們的new與delete如何為對(duì)象分配內(nèi)存，如何回收對(duì)象。

而malloc/free并不允許重載。

9. 能夠直觀地重新分配內(nèi)存

使用malloc分配的內(nèi)存后，如果在使用過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不足，可以使用realloc函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存重新分配實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的擴(kuò)充。realloc先判斷當(dāng)前的指針?biāo)竷?nèi)存是否有足夠的連續(xù)空間，如果有，原地?cái)U(kuò)大可分配的內(nèi)存地址，并且返回原來的地址指針；如果空間不夠，先按照新指定的大小分配空間，將原有數(shù)據(jù)從頭到尾拷貝到新分配的內(nèi)存區(qū)域，而后釋放原來的內(nèi)存區(qū)域。

new沒有這樣直觀的配套設(shè)施來擴(kuò)充內(nèi)存。

10. 客戶處理內(nèi)存分配不足

在operator new拋出異常以反映一個(gè)未獲得滿足的需求之前，它會(huì)先調(diào)用一個(gè)用戶指定的錯(cuò)誤處理函數(shù)，這就是new-handler。new_handler是一個(gè)指針類型：

namespace std
{
    typedef void (*new_handler)();
}

指向了一個(gè)沒有參數(shù)沒有返回值的函數(shù),即為錯(cuò)誤處理函數(shù)。為了指定錯(cuò)誤處理函數(shù)，客戶需要調(diào)用set_new_handler，這是一個(gè)聲明于的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù):

namespace std
{
    new_handler set_new_handler(new_handler p ) throw();
}

set_new_handler的參數(shù)為new_handler指針，指向了operator new 無法分配足夠內(nèi)存時(shí)該調(diào)用的函數(shù)。其返回值也是個(gè)指針，指向set_new_handler被調(diào)用前正在執(zhí)行（但馬上就要發(fā)生替換）的那個(gè)new_handler函數(shù)。

對(duì)于malloc，客戶并不能夠去編程決定內(nèi)存不足以分配時(shí)要干什么事，只能看著malloc返回NULL。

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總結(jié)

將上面所述的10點(diǎn)差別整理成表格：

malloc給你的就好像一塊原始的土地，你要種什么需要自己在土地上來播種

而new幫你劃好了田地的分塊（數(shù)組），幫你播了種（構(gòu)造函數(shù)），還提供其他的設(shè)施給你使用:

當(dāng)然，malloc并不是說比不上new，它們各自有適用的地方。

審核編輯：湯梓紅