new和malloc的区别以及底层实现原理


malloc函数

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void *malloc(int size);

说明：malloc 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C,C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。

malloc 与free 是C++/C 语言的标准库函数，new/delete 是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。对于非内部数据类型的对象而言，光用maloc/free 无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数， 对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free 是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete 不是库函数。

malloc()是C语言中动态存储管理的一组标准库函数之一。其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为size的连续空间。其参数是一个无符号整形数，返回值是一个指向所分配的连续存储域的起始地址的指针.

malloc()工作机制

malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。

malloc()在操作系统中的实现

在 C 程序中，多次使用malloc () 和 free()。不过，您可能没有用一些时间去思考它们在您的操作系统中是如何实现的。本节将向您展示 malloc 和 free 的一个最简化实现的代码，来帮助说明管理内存时都涉及到了哪些事情。
在大部分操作系统中，内存分配由以下两个简单的函数来处理：

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void *malloc (long numbytes)：该函数负责分配 numbytes 大小的内存，并返回指向第一个字节的指针。
void free(void *firstbyte)：如果给定一个由先前的 malloc 返回的指针，那么该函数会将分配的空间归还给进程的“空闲空间”。

malloc_init 将是初始化内存分配程序的函数。它要完成以下三件事：将分配程序标识为已经初始化，找到系统中最后一个有效内存地址，然后建立起指向我们管理的内存的指针。这三个变量都是全局变量：

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 //清单 1. 我们的简单分配程序的全局变量

int has_initialized = 0;
void *managed_memory_start;
void *last_valid_address;

如前所述，被映射的内存的边界（最后一个有效地址）常被称为系统中断点或者当前中断点。在很多 UNIX 系统中，为了指出当前系统中断点，必须使用 sbrk(0) 函数。 sbrk 根据参数中给出的字节数移动当前系统中断点，然后返回新的系统中断点。使用参数 0 只是返回当前中断点。这里是我们的 malloc 初始化代码，它将找到当前中断点并初始化我们的变量：

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清单 2. 分配程序初始化函数
/* Include the sbrk function */
 
#include
void malloc_init()
{
/* grab the last valid address from the OS */
last_valid_address = sbrk(0);
/* we don''t have any memory to manage yet, so
 *just set the beginning to be last_valid_address
 */
managed_memory_start = last_valid_address;
/* Okay, we''re initialized and ready to go */
 has_initialized = 1;
}

现在，为了完全地管理内存，我们需要能够追踪要分配和回收哪些内存。在对内存块进行了 free 调用之后，我们需要做的是诸如将它们标记为未被使用的等事情，并且，在调用 malloc 时，我们要能够定位未被使用的内存块。因此， malloc 返回的每块内存的起始处首先要有这个结构：

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//清单 3. 内存控制块结构定义
struct mem_control_block {
    int is_available;
    int size;
};

现在，您可能会认为当程序调用 malloc 时这会引发问题 —— 它们如何知道这个结构？答案是它们不必知道；在返回指针之前，我们会将其移动到这个结构之后，把它隐藏起来。这使得返回的指针指向没有用于任何其他用途的内存。那样，从调用程序的角度来看，它们所得到的全部是空闲的、开放的内存。然后，当通过 free() 将该指针传递回来时，我们只需要倒退几个内存字节就可以再次找到这个结构。

在讨论分配内存之前，我们将先讨论释放，因为它更简单。为了释放内存，我们必须要做的惟一一件事情就是，获得我们给出的指针，回退 sizeof(struct mem_control_block) 个字节，并将其标记为可用的。这里是对应的代码：

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//清单4. 解除分配函数
void free(void *firstbyte) {　　
    struct mem_control_block *mcb;
　　/* Backup from the given pointer to find the
 　　* mem_control_block
 　　*/
 　　mcb = firstbyte - sizeof(struct mem_control_block);
　　/* Mark the block as being available */
  　mcb->is_available = 1;
　　/* That''s It!  We''re done. */
  　return;
}

如您所见，在这个分配程序中，内存的释放使用了一个非常简单的机制，在固定时间内完成内存释放。分配内存稍微困难一些。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。这里是代码：

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 1 //清单 6. 主分配程序
 2 void *malloc(long numbytes) {
 3     /* Holds where we are looking in memory */
 4     void *current_location;
 5     /* This is the same as current_location, but cast to a
 6     * memory_control_block
 7     */
 8     struct mem_control_block *current_location_mcb;
 9     /* This is the memory location we will return.  It will
10     * be set to 0 until we find something suitable
11     */
12     void *memory_location;
13     /* Initialize if we haven''t already done so */
14     if(! has_initialized) {
15         malloc_init();
16     }
17     /* The memory we search for has to include the memory
18     * control block, but the users of malloc don''t need
19     * to know this, so we''ll just add it in for them.
20     */
21     numbytes = numbytes + sizeof(struct mem_control_block);
22     /* Set memory_location to 0 until we find a suitable
23     * location
24     */
25     memory_location = 0;
26     /* Begin searching at the start of managed memory */
27     current_location = managed_memory_start;
28     /* Keep going until we have searched all allocated space */
29     while(current_location != last_valid_address)
30     {
31     /* current_location and current_location_mcb point
32     * to the same address.  However, current_location_mcb
33     * is of the correct type, so we can use it as a struct.
34     * current_location is a void pointer so we can use it
35     * to calculate addresses.
36         */
37         current_location_mcb =
38             (struct mem_control_block *)current_location;
39         if(current_location_mcb->is_available)
40         {
41             if(current_location_mcb->size >= numbytes)
42             {
43             /* Woohoo!  We''ve found an open,
44             * appropriately-size location.
45                 */
46                 /* It is no longer available */
47                 current_location_mcb->is_available = 0;
48                 /* We own it */
49                 memory_location = current_location;
50                 /* Leave the loop */
51                 break;
52             }
53         }
54         /* If we made it here, it''s because the Current memory
55         * block not suitable; move to the next one
56         */
57         current_location = current_location +
58             current_location_mcb->size;
59     }
60     /* If we still don''t have a valid location, we''ll
61     * have to ask the operating system for more memory
62     */
63     if(! memory_location)
64     {
65         /* Move the program break numbytes further */
66         sbrk(numbytes);
67         /* The new memory will be where the last valid
68         * address left off
69         */
70         memory_location = last_valid_address;
71         /* We''ll move the last valid address forward
72         * numbytes
73         */
74         last_valid_address = last_valid_address + numbytes;
75         /* We need to initialize the mem_control_block */
76         current_location_mcb = memory_location;
77         current_location_mcb->is_available = 0;
78         current_location_mcb->size = numbytes;
79     }
80     /* Now, no matter what (well, except for error conditions),
81     * memory_location has the address of the memory, including
82     * the mem_control_block
83     */
84     /* Move the pointer past the mem_control_block */
85     memory_location = memory_location + sizeof(struct mem_control_block);
86     /* Return the pointer */
87     return memory_location;
88  }

这就是我们的内存管理器。现在，我们只需要构建它，并在程序中使用它即可.多次调用malloc（）后空闲内存被切成很多的小内存片段，这就使得用户在申请内存使用时，由于找不到足够大的内存空间，malloc()需要进行内存整理，使得函数的性能越来越低。聪明的程序员通过总是分配大小为2的幂的内存块，而最大限度地降低潜在的malloc性能丧失。也就是说，所分配的内存块大小为4字节、8字节、16字节、18446744073709551616字节，等等。这样做最大限度地减少了进入空闲链的怪异片段（各种尺寸的小片段都有）的数量。尽管看起来这好像浪费了空间，但也容易看出浪费的空间永远不会超过50%。

malloc/new函数具体区别

属性

new/delete是C++关键字，需要编译器支持。malloc/free是库函数，需要头文件支持。

参数

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。而malloc则需要显式地指出所需内存的尺寸。

返回类型

new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。而malloc内存分配成功则是返回void * (可强制转换为任何类型)，需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。

分配失败

new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常。malloc分配内存失败时返回NULL。

自定义类型

new会先调用operator new函数，申请足够的内存（通常底层使用malloc实现）。然后调用类型的构造函数，初始化成员变量，最后返回自定义类型指针。delete先调用析构函数，然后调用operator delete函数释放内存（通常底层使用free实现）。

malloc/free是库函数，只能动态的申请和释放内存，无法强制要求其做自定义类型对象构造和析构工作。

重载

C++允许重载new/delete操作符，特别的，布局new的就不需要为对象分配内存，而是指定了一个地址作为内存起始区域，new在这段内存上为对象调用构造函数完成初始化工作，并返回此地址。而malloc不允许重载。

内存区域

new操作符从自由存储区（free store）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上动态分配内存。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，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。自由存储区不等于堆，如上所述，布局**new就可以不位于堆中**。