C++ malloc/free/new/delete详解（内存管理）

malloc/free

典型用法

malloc()负责动态配置内存，大小由size决定，分配成功时返回值为任意类型指针，指向一段可用内存（虚拟内存）的起始地址。分配失败时为NULL。

void * malloc(size_t size)

free()负责释放动态申请的内存空间，调用free( )后ptr所指向的内存空间被收回，如果ptr指向未知地方或者指向的空间已被收回，则会发生不可预知的错误，如果ptr为NULL，free不会有任何作用。

void  free(void *ptr)

内存分配

malloc函数动态申请的内存空间是在堆里(而一般局部变量存于栈里)，并且该段内存不会被初始化，与全局变量不一样，如果不采用手动free()加以释放，则该段内存一直存在，直到程序退出才被系统，所以为了合理使用内存，在不适用该段内存时，应该调用free()。另外，如果在一个函数里面使用过malloc，最好要配对使用free，否则容易造成内存泄露。

实现过程

brk和mmap

从操作系统角度来看，malloc的实现有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

1. 申请小于128k的内存时，使用brk分配内存，将数据段.data的最高地址指针_edata向高地址移动，即增加堆的有效区域来申请新的内存空间。
2. 申请大于128k的内存时，使用mmap分配内存，mmap是在进程的文件映射区找一块空闲存储空间，128K限制可由M_MMAP_THRESHOLD选项进行修改。

这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

申请小于128k的内存

申请小于128k的内存时，使用brk分配内存，将_edata往高地址推(只分配虚拟空间，不对应物理内存(因此没有初始化)，第一次读/写数据时，引起内核缺页中断，内核才分配对应的物理内存，然后虚拟地址空间建立映射关系)，如下图：

1. 进程启动的时候，其（虚拟）内存空间的初始布局如图1。其中，mmap内存映射文件是在堆和栈的中间（例如libc-2.2.93.so，其它数据文件等），为了简单起见，省略了内存映射文件。_edata指针（glibc里面定义）指向数据段的最高地址。
2. 进程调用A=malloc(30K)以后，内存空间如图2。malloc函数会调用brk系统调用，将_edata指针往高地址推30K，就完成虚拟内存分配。然而，_edata+30K只是完成虚拟地址的分配，A这块内存现在还是没有物理页与之对应的，等到进程第一次读写A这块内存的时候，发生缺页中断，这个时候，内核才分配A这块内存对应的物理页。也就是说，如果用malloc分配了A这块内容，然后从来不访问它，那么，A对应的物理页是不会被分配的。
3. 进程调用B=malloc(40K)以后，内存空间如图3。

申请大于128k的内存

申请大于128k的内存时，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配，如下图：

1. 进程调用C=malloc(200K)以后，内存空间如图4。默认情况下，malloc函数分配内存，如果请求内存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节），那就不是去推_edata指针了，而是利用mmap系统调用，从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。这样子做主要是因为brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放（例如，在B释放之前，A是不可能释放的，这就是内存碎片产生的原因，什么时候紧缩看下面），而mmap分配的内存可以单独释放。
2. 进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5。

释放内存

1. 进程调用free(C)以后，C对应的虚拟内存和物理内存一起释放，如图6。
2. 进程调用free(B)以后，如图7所示。B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个_edata指针，如果往回推，那么D这块内存怎么办呢？当然，B这块内存，是可以重用的，如果这个时候再来一个40K的请求，那么malloc很可能就把B这块内存返回回去了。
3. 进程调用free(D)以后，如图8所示。B和D连接起来，变成一块140K的空闲内存。

默认情况下：当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操作（trim）。在上一个步骤free的时候，发现最高地址空闲内存超过128K，于是内存紧缩，变成图9所示。

brk和mmap的区别

1. malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；同时brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放，这也是内存碎片产生的原因
2. malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。除此之外，mmap分配的内存可以单独释放。

new/delete

典型用法

new和delete是C++中的运算符，不是库函数，不需要库的支持，同时，他们是封装好的重载运算符，并且可以再次进行重载。

new是动态分配内存的运算符，自动计算需要分配的空间，在C++中，它属于重载运算符，可以对多种数据类型形式进行分配内存空间，比如int型、char型、结构体型和类等的动态申请的内存分配，分配类的内存空间时，同时调用类的构造函数，对内存空间进行初始化，即完成类的初始化工作。new运算符的使用示例：

new int  //开辟一个存放整数的存储空间，返回一个指向该存储空间的地址
new int(100)  //同上，并指定该整数的初值为100
new char[100] //开辟一个存放字符数组（100个元素）的空间，返回首地址
new int[4][5]//开辟一个存放二维数组的空间，返回首元素的地址
float *p=new float(3.14157) //开辟一个存放单精度的空间，并指定该数的初值为3.14157，将返回的该空间的地址赋给指针变量p

注意：用new分配数组空间不能指定初值，若无法正常分配，则new会返回一个空指针NULL或者抛出bad_alloc异常。

delete是撤销动态申请的内存运算符。delete与new通常配对使用，与new的功能相反，可以对多种数据类型形式的内存进行撤销，包括类，撤销类的内存空间时，它要调用其析构函数，完成相应的清理工作，收回相应的内存资源。delete运算符的使用示例：

//注意，指针p存于栈中，p所指向的内存空间却是在堆中。
int *p = new int；                    delete p；
char *p = new char；                  delete p；
//注意，new申请数组，delete删除的形式需要加括号“[ ]”，表示对数组空间的操作，总之，申请形式如何，释放的形式就如何。
Obj * p = new Obj[100];               delete [ ]p;

内存分配

new申请的内存也是存于堆中，所以在不需要使用时，需要delete手动收回。

实现过程

在new一个对象的时候，首先会调用operator new() 为对象分配内存空间，然后调用对象的构造函数。

delete会调用对象的析构函数，然后调用free回收内存。

new/delete和malloc/free的区别

1. new从自由存储区上分配内存，malloc从堆上分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配。自由存储区是否能够是堆取决于operator new 的实现细节。自由存储区不仅可以是堆，还可以是静态存储区，这都看operator new在哪里为对象分配内存。
2. new 可以调用对象的构造函数，对应的 delete 调用相应的析构函数；malloc 仅仅分配内存，free 仅仅回收内存，并不执行构造和析构函数。在new一个对象的时候，底层首先调用 operator new() 函数为对象分配内存空间，然后调用对象的构造函数。delete会调用对象的析构函数，然后调用free回收内存。
3. 使用new操作符申请内存分配时无须指定内存块的大小，编译器会根据类型信息自行计算；使用malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。
4. new、delete 返回的是某种数据类型指针；malloc、free 返回的是 void 指针。
5. new、delete 是操作符；malloc、free 是函数。
6. malloc分配失败返回NULL；new要求在内存分配失败时要求返回NULL或抛出std::bad_alloc异常。

malloc对于给每个进程分配的内存是不是有大小限制

Windows下32位程序如果单纯看地址空间能有4G左右的内存可用，不过实际上系统会把其中2G的地址留给内核使用，32位Linux是用户3G+内核1G。所以你的程序最大能用2G（Windows）或者3G（Linux）的内存。除去其他开销，你能用malloc申请到的内存只有1.9G或者2.9G左右。

delete [] 怎么知道要销毁多少内存空间

new的执行过程：先给定需要的内存大小，调用operator new，在那里面获得制定大小的内存并返回；然后才以刚才返回的内存为基础调用类的构造函数。如果使用的是new[]来生成对象数组，需要多申请sizeof(int)（即4个字节）的空间来存储对象个数，以确定析构的次数。

delete的执行过程：如果需要删除的是对象数组，首先要根据数组最开头的int数值来调用若干次析构函数；然后才释放存储空间。

这告诉我们，可以认为new就是malloc的封装。并且也解释了为什么new[]分配的空间用free()释放会出错（因为new[]分配空间返回的地址并不是它里面malloc分配空间的首地址，系统预留了sizeof(int)个字节）。

malloc的内存可以用delete释放吗？

可以，但是一般不这么用。malloc/free是c语言中的函数，c++为了兼容c保留下来这一对函数。简单来说，new 可以理解为，先执行malloc来申请内存，后调用构造函数来初始化对象；delete是先执行析构函数，后使用free来释放内存。

new[]分配的空间可以用free()释放吗？

不可以，因为new[]分配空间返回的地址并不是它里面malloc分配空间的首地址，系统预留了sizeof(int)个字节用来确定调用析构函数的次数。

new[]和delete配对使用会发生什么

1. 如果数组中的元素类型为内置类型，调用delete[]时不需要析构函数，所以也就不需要多4个字节来存放数组长度，所以不会报错。
2. 如果数组中的元素类型为自定义类型，则delete只会析构数组中的第一个对象。

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    int *pint = new int(5);
    delete[] pint;
    int *pinta = new int[4];
    delete pinta;
    cout << "success" << endl;
    return 0;
}
程序输出：
success

这段代码即使不配对使用也会正常运行，因为int是内置类型，调用delete[]时不需要析构函数，所以也就不需要多4个字节来存放数组长度，只需要直接操作内存即可。

malloc出来20字节内存，为什么free不需要传入20呢，不会产生内存泄漏吗？

这是因为虽然你告诉了malloc你要多少空间，但malloc真正分配了多少只有它自己知道。例如，你向malloc要了999字节，但某人写的malloc分配的最小粒度是1024字节，那么你会得到一个1024字节的空间。

在malloc时，所分配的不仅是你请求的那点空间，还加了一个信息块来记录额外信息，这个信息块位于你请求的空间前面。而malloc返回指针的指向的是你请求的空间，如果你想看看那个信息块的话，把malloc返回的指针往前走几步就能看到了。free所需的信息可以直接在信息块中取。信息块和空间都会被释放。

限制对象只能建立在堆上

最直观的思想：避免直接调用类的构造函数，因为对象静态建立时，会调用类的构造函数创建对象。但是直接将类的构造函数设为私有并不可行，因为当构造函数设置为私有后，不能在类的外部调用构造函数来构造对象。但是由于 new 创建对象时，底层也会调用类的构造函数，将构造函数设置为私有后，那就无法在类的外部使用 new 创建对象了。

首先我们想到的是将析构函数设置为私有。这是因为静态对象建立在栈上，是由编译器分配和释放内存空间，当析构函数设为私有时，编译器创建的对象就无法通过访问析构函数来释放对象的内存空间，因此，编译器不会在栈上为对象分配内存。

但是该方法存在两个问题：

1. 用 new 创建的对象，通常会使用 delete 释放该对象的内存空间，但此时类的外部无法调用析构函数，因此类内必须定义一个 destory() 函数用来释放 new 创建的对象。
2. 无法解决继承问题，因为如果这个类作为基类，析构函数要设置成 virtual，然后在派生类中重写该函数。但此时析构函数是私有的，派生类中无法访问。

因此有了下面这个解决方法：将构造函数和析构函数设置为 protected，并提供一个 public 的静态函数来完成构造，而不是在类的外部使用 new 构造。

限制对象只能建立在栈上

将 operator new() 设置为私有。原因：当对象建立在堆上时，是采用 new 的方式进行建立，其底层会调用 operator new() 函数，因此只要对该函数加以限制，就能够防止对象建立在堆上。