new和malloc的区别、ptmalloc

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一、new和malloc的区别

1、new/delete是C++的运算符/关键字，malloc与free是c++/c语言的标准函数

void* malloc(size_t);
void free(void*);
void *operator new (size_t);
void operator delete (void *);
void *operator new[] (size_t);
void operator delete[] (void *);

2、new开辟的内存是自由存储区，malloc堆上开辟

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。

那么自由存储区是否能够是堆（问题等价于new是否能在堆上动态分配内存），这取决于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。

3、new 还可以做初始化，malloc单纯开辟内存

int* buffer = new int(); // 分配的一个int初始化为0
int* buffer = new int(0); // 分配的一个int初始化为0
int* buffer = new int[512](); // 分配的512个int都初始化为0
int* buffer = new int(5); // 分配的一个int初始化为5

但是无法将分配的所有元素同时初始化为非0值，以下代码是不合法的：

int* buffer = new int[512](0); // 语法错误！！！
int* buffer = new int[512](5); // 语法错误！！！

C++11
C++11中增加了初始化列表功能，所以也可以使用以下的方式进行初始化：

int* buffer = new int{}; // 初始化为0
int* buffer = new int{0}; // 初始化为0
int* buffer = new int[512]{}; // 512个int都初始化为0
int* buffer = new int{5}; // 初始化为5

与上面不同的是，如下写法是合法的：

int* buffer = new int[512]{5}; // 第一个int初始化为5，其余初始化为0

但是其结果与我们设想的不一样，它并不是将分配的512个int都初始化为5，而仅仅是将第一个int初始化为5，其余的511个仍然初始化为0

而且正如初始化列表中“列表”两字所指出的，我们实际上可以用一个列表来初始化分配的内存：

int* buffer = new int[512]{1, 2, 3, 4}; // 前4个int分别初始化为1、2、3、4，其余int初始化为0

operator new 开辟内存
constructor 内存初始化

4、返回类型安全性

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 * ，需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。

5、内存分配失败时的返回值

new内存分配失败时，会抛出bad_alloc异常，它不会返回NULL；malloc分配内存失败时返回NULL（要用if来判断是否开辟成功）

try
{
    int *a = new int();
}
catch (bad_alloc)//内存动态分配错误
{
    ...
}

6、在使用上的区别

new 返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。而 malloc 则必须要由我们计算字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。并且C++提供了new[]与delete[]来专门处理数组类型

7、new/delete会调用对象的构造函数/析构函数以完成对象的构造/析构，而malloc则不会

8、是否可以被重载

opeartor new /operator delete可以被重载。标准库是定义了operator new函数和operator delete函数的8个重载版本。而malloc/free并不允许重载。

9、new可以调用malloc ，但是malloc不能调用new
operator new可以重载在重载的时候可以调用malloc malloc是系统版本兼容版本向前兼容

10、能够直观地重新分配内存

使用malloc分配的内存后，如果在使用过程中发现内存不足，可以使用realloc函数进行内存重新分配实现内存的扩充。realloc先判断当前的指针所指内存是否有足够的连续空间，如果有，原地扩大可分配的内存地址，并且返回原来的地址指针；如果空间不够，先按照新指定的大小分配空间，将原有数据从头到尾拷贝到新分配的内存区域，而后释放原来的内存区域。

new没有这样直观的配套设施来扩充内存。

总结

图来自：动态内存分配、malloc与new的区别

有了malloc/free为什么还要new/delete?

new运算不需要进行强制类型转换，使用简单方便；
new运算是通过调用构造函数初始化动态创建的对象，执行效率更高；
使用new能够进行异常处理，使用更安全

二、ptmalloc

ptmalloc 实现了 malloc()，free()以及一组其它的函数. 以提供动态内存管理的支持。

malloc实现原理：

因为brk、sbrk、mmap都属于系统调用，若每次申请内存，都调用这三个，那么每次都会产生系统调用，影响性能；其次，这样申请的内存容易产生碎片，因为堆是从低地址到高地址，如果高地址的内存没有被释放，低地址的内存就不能被回收。
　　
　　所以malloc采用的是内存池的管理方式（ptmalloc），Ptmalloc 采用边界标记法将内存划分成很多块，从而对内存的分配与回收进行管理。为了内存分配函数malloc的高效性，ptmalloc会预先向操作系统申请一块内存供用户使用，当我们申请和释放内存的时候，ptmalloc会将这些内存管理起来，并通过一些策略来判断是否将其回收给操作系统。这样做的最大好处就是，使用户申请和释放内存的时候更加高效，避免产生过多的内存碎片。

在没有用malloc 分配内存之前，堆区没有内存。

Linux 进程的默认地址空间, 对 heap 的操作, 操作系统提供了brk()系统调用，设置了Heap的上边界，对 mmap 映射区域的操作,操作系统供了 mmap()和 munmap()函数。

因为系统调用的代价很高，不可能每次申请内存都从内核分配空间，尤其是对于小内存分配。而且因为mmap的区域容易被munmap释放，所以一般大内存采用mmap()，小内存使用brk()。

在开辟<=128K时，brk指针会向后走，第一次申请的字节若不超过128k,系统会为其分配128k+4K的空间，如果多次malloc申请空间，每申请一次就需要修改一次mm_struct中brk的位置，就要执行一次系统调用，这样系统消耗会特别大，而多出来的4K的空间存放了分配信息，当free()时会用到。开辟的内存在用户空间的库上，当free时，这块空间归还给库，当进程结束时，归还系统。

在开辟〉128K时，通过mmap映射在堆和栈的中间映射一段内存，free时直接归还给系统。

不管内存是在哪里被分配的，用什么方法分配，用户请求分配的空间在ptmalloc中都使用一个chunk来表示。用户调用free()函数释放掉的内存也并不是立即就归还给操作系统，相反，它们也会被表示为1个chunk, ptmalloc使用特定的数据结构来管理这些空闲的chunk。

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。如果无法获得符合要求的内存块，malloc函数会返回NULL指针，因此在调用malloc动态申请内存块时，一定要进行返回值的判断。

参考：进程地址空间

malloc的底层实现（ptmalloc）