【C/C++ new/delete和malloc/free的异同及原理】

news2024/7/7 18:23:56

new/delete和malloc/free都是用于在C++(以及C语言在malloc/free的情况下)中动态申请和释放内存的机制,但它们之间存在一些显著的异同点。以下是对这两组函数/运算符的异同点的详细分析:

相同点

  1. 目的相同:两者都用于在堆(heap)上动态地分配和释放内存。
  2. 手动管理:无论是new/delete还是malloc/free,都需要程序员手动进行内存的分配和释放,以避免内存泄漏。

不同点

  1. 类型与来源
    new/delete:是C++的运算符,支持重载,可以与C++的类特性(如构造函数、析构函数)紧密集成。
    malloc/free:是C语言(及C++兼容)的标准库函数,分别定义在<stdlib.h>(C语言)和(C++)头文件中。
  2. 内存分配与初始化
    new:能够自动根据对象的类型计算所需内存大小,并在分配内存后自动调用对象的构造函数进行初始化(如果是类类型的对象)。
    malloc:需要程序员手动计算所需内存大小,并且分配的内存不会自动初始化,通常包含未定义的值。
  3. 返回值
    new:返回指向分配的内存的指针,该指针的类型是所分配对象的类型。
    malloc:返回void*类型的指针,指向分配的内存,需要程序员根据需要进行类型转换。
  4. 错误处理
    new:如果内存分配失败,会抛出std::bad_alloc异常。
    malloc:如果内存分配失败,会返回NULL(在C++11及以后,推荐使用nullptr)。
  5. 内存释放
    delete:在释放内存时,会调用对象的析构函数(如果是类类型的对象),然后释放内存。
    free:仅释放之前通过malloc分配的内存,不会调用任何析构函数。
  6. 数组支持
    new/delete:对于数组,有专门的语法new 类型[大小]和delete[] 指针来分配和释放内存。
    malloc/free:对于数组,只需在malloc中指定数组总大小(每个元素的类型大小乘以元素数量),并在free中传递指向数组首元素的指针。但注意,malloc不会自动处理数组元素的构造或析构。
  7. 类型安全
    new:提供了更好的类型安全,因为返回的是具体类型的指针,编译器可以进行类型检查。
    malloc:由于返回void*类型,需要程序员进行类型转换,这可能引入类型错误。
  8. 性能
    在底层实现上,new/delete通常是对malloc/free的封装,因此它们的性能差异主要取决于封装层的开销。在大多数情况下,这种差异可以忽略不计,但在性能敏感的应用中可能需要考虑。
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  1. new是类型安全的,malloc不是。例如:

    int*p=newfloat[2];//编译错误
    int *p = (int*)malloc(2*sizeof(double));//编译无错误
    
  2. new调用名为operator new的标准库函数分配足够空间并调用相关对象的构构造函数,delete对指针所指对象运行适当的析构函数,然后通过调用名为perator delete的标准库函数释放该对象所用内存。后者均没有相关调用。

  3. new是封装了malloc,直接free不会报错,但是这只是释放内存,而不会析构对象

  4. new和delete是如何实现的?
    new的实现过程是:首先调用名为operator new的标准库函数,分配足够大的原始为类型化的内存,以保存指定类型的一个对象;接下来运行该类型的一个构造函数,用指定初始化构造对象;最后返回指向新分配并构造后的的对象的指针;
    delete的实现过程:对指针指向的对象运行适当的析构函数;然后通过调用名为operator delete的标准库函数释放该对象所用内存;

  5. malloc和new的区别?
    malloc和free是标准库函数,支持覆盖;new和delete是运算符,支持重载。
    malloc仅仅分配内存空间,free仅仅回收空间,不具备调用构造函数和析构函数功能,用malloc分配空间存储类的对象存在风险;new和delete除了分配回收功能外,还会调用构造函数和析构函数。
    malloc和free返回的是void类型指针(必须进行类型转换),new和delete返回的是具体类型指针。

  6. 既然有了malloc/free,C++中为什么还需要new/delete呢?直接用malloc/free不好吗?
    malloc/free和new/delete都是用来申请内存和回收内存的。
    在对非基本数据类型的对象使用的时候,对象创建的时候还需要执行构造函数,销毁的时候要执行析构函数。而malloc/free是库函数,是已经编译的代码,所以不能把构造函数和析构函数的功能强加给malloc/free,所以new/delete是必不不可少的。

  7. 被free回收的内存是立即返还给操作系统吗?
    不是的,被free回收的内存会首先被ptmalloc使用双链表保存起来,当用户下一次申请内存的时候,会尝试从这些内存中寻找合适的返回。这样就避免了频繁的系统调用,占用过多的系统资源。同时ptmalloc也会尝试对小块内存进行合并,避免过多的内存碎片。

总结

new/delete和malloc/free各有其适用场景。在C++程序中,由于new/delete能够与C++的类特性更好地集成,因此通常是首选的内存分配方式。然而,在处理与C语言的接口或需要更低级内存操作的情况下,malloc/free仍然有其不可替代的作用。重要的是,无论使用哪种方式,都应确保及时释放分配的内存,以避免内存泄漏。

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