malloc free new delete

malloc/free

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。

       分配内存，在size的基础上加sizeof(struct mem_control_block)  个字节。我们主要使用连接的指针遍历内存来寻找开放的内存块。释放内存，将参数指针回退 sizeof(struct mem_control_block)  个字节，并将其标记为可用的。

    C语言是跨平台的，最终的内存处理都是交给系统API完成。系统会记录每一块分配内存的地址，大小，释放情况等等。所以malloc只需传内存大小参数，free只需要传一个地址的参数就可以了。而且同一个地址不能释放两次。

debug

debug版本下malloc需要分配的内存会比实际的size多36byte。最终分配的内存块如下：

_CrtMemBlockHeader是一个双向链表结构，其定义如下：

typedef struct _CrtMemBlockHeader 

{ 

     struct _CrtMemBlockHeader *pBlockHeaderNext;   //下次分配的内存块

     struct _CrtMemBlockHeader *pBlockHeaderPrev;   //上次分配的内存块

     char *szFileName;              //分配内存代码的文件名

     int nLine;                  //分配内存代码的行号

     size_tnDataSize;               //请求的大小，如实例中的

     int nBlockUse;                 //请求的内存类型，如实例中的user类型

     long lRequest;                 //请求id，每次请求都会被记录

     unsigned char gap[nNoMansLandSize];     //4字节校验位

} _CrtMemBlockHeader; 

 

        用户请求内存前后分别有4字节的校验位，分配内存后都会被初始化为0xFD。如果这8个字节被改写，free时就会触发断言失败。而请求的32字节会被初始化为0xCC（和栈的初始化一样）。

       系统通过记录这些信息就能显示的给出错误。比如越界访问请求的内存在debug下会断言失败，release下面则不会，从而这会给程序埋下巨大的隐患。很多在release下偶发的错误就是这样产生的。_CrtMemBlockHeader总共32字节，加上用户请求的32字节及最后4字节校验位是68字节。最终调用系统的API请求内存。比如Windows下面是HeapAlloc。

 

如果内存分配失败，malloc不像new那样可以调用new_handler来处理，它直接返回NULL。

         free则是对_CrtMemBlockHeader的信息做清理操作，检查校验位等等。最终调用系统API释放内存。比如Windows下面是HeapFree。

release

实际分配的内存等于请求的内存大小。malloc和free只是在系统API之上做了些判断操作。

内存碎片

内存分配的原理

从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

1、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；

2、mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存。

     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。
在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的。

下面以一个例子来说明内存分配的原理：

情况一：malloc小于128k的内存，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所示。

     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。

      你可能会问：只要把_edata+30K就完成内存分配了？

      事实是这样的，_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。

情况二: malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存，而且初始化为0)，如下图：

4、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。

      当然，还有其它的好处，也有坏处，再具体下去，有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。 
5、进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5；
6、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。

7、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。 
8、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。

9、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

malloc/free和new/delete

         malloc  和  new  至少有两个不同 : new  返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。malloc  只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。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。如果没有足够内存空间而导致malloc申请失败，返回NULL。而new则抛出std::bad_alloc标准异常，不返回NULL。

 

malloc和new的区别

1）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。 　　

2）malloc 只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过malloc或new得到指针，在其它操作上保持一致。

有了malloc/free为什么还要new/delete？

1) 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。

2) 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。

       我们不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理，应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程，对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。

既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free，为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢？

          这是因为C++程序经常要调用C函数，而C程序只能用malloc/free管理动态内存。