malloc与new相关

Posted 2020-09-20 禾小白

　　malloc函数：malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配。作用是向系统申请分配指定size个字节的内存空间，函数原型为：

extern void *malloc(unsigned int num_bytes);

　　void*表示未确定类型的指针，C,C++规定，void* 类型可以通过类型转换强制转换为任何其它类型的指针。

　　free函数：void free(void *FirstByte)： 该函数是将之前用malloc分配的空间还给程序或者是操作系统，也就是释放了这块内存，让它重新得到自由。

　　其功能为在堆中申请一块连续的可用的内存；使用中有如下需要关注的点：

　　1.malloc分配的内存大小至少为size参数所指定的字节数.

　　2.malloc的返回值是一个指针，指向一段可用内存的起始地址.

　　3.多次调用malloc所分配的地址不能有重叠部分，除非某次malloc所分配的地址被释放掉.

　　4.malloc应该尽快完成内存分配并返回.

　　5.实现malloc时应同时实现内存大小调整和内存释放函数（即realloc和free）.

用法示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<malloc.h>
int main() {
    char *ptr;
    ptr = (char*)malloc(8);   //返回类型为void*，强制转换
    if (NULL == ptr)          //申请后务必检查是否成功，因为对内存不足等原因有可能申请失败
    { 
          exit (1); 
    } 

    if(ptr)  
        printf("Memory Allocated at: %x/n",ptr);
    free(ptr);                //申请同时释放
    ptr = NULL;               //free释放的只是内存，ptr指针还在，所以记得将ptr指向NULL
    return 0;
}

malloc函数使用时需要注意的要点：

　　1、如果有足够空间用于扩大mem_address指向的内存块，则分配额外内存，并返回mem_address.  这里说的是“扩大”，我们知道，realloc是从堆上分配内存的，当扩大一块内存空间时， realloc()试图直接从堆上现存的数据后面的那些字节中获得附加的字节，如果能够满足，自然天下太平。也就是说，如果原先的内存大小后面还有足够的空闲空间用来分配，加上原来的空间大小＝ newsize，得到的是一块连续的内存。

　　2、如果原先的内存大小后面没有足够的空闲空间用来分配，那么从堆中另外找一块newsize大小的内存。  并把原来大小内存空间中的内容复制到newsize中。返回新的mem_address指针。  

　　3、malloc函数返回值情况

　　返回的是一个void类型的指针，调用成功。（这就再你需要的时候进行强制类型转换）

　　返回NULL，当需要扩展的大小（第二个参数）为0并且第一个参数不为NULL，此时原内存变成了“freed（游离）”的了。

　　返回NULL，当没有足够的空间可供扩展的时候，此时，原内存空间的大小维持不变。

　　4、malloc函数的特殊情况

　　如果mem_address为null，则realloc()和malloc()类似。分配一个newsize的内存块，返回一个指向该内存块的指针。

　　如果newsize大小为0，那么释放mem_address指向的内存，并返回null。

　　如果没有足够可用的内存用来完成重新分配（扩大原来的内存块或者分配新的内存块），则返回null而原来的内存块保持不变。

　　5、申请了内存空间后，必须检查是否分配成功。

　　6、当不需要再使用申请的内存时，记得释放；释放后应该把指向这块内存的指针指向NULL，防止程序后面不小心使用了它。

　　7、这两个函数应该是配对。如果申请后不释放就是内存泄露；如果无故释放那就是什么也没有做。释放只能一次，如果释放两次及两次以上会出现错误（释放空指针例外，释放空指针其实也等于啥也没做，所以释放空指针释放多少次都没有问题）。

　　8、虽然malloc()函数的类型是(void *),任何类型的指针都可以转换成(void *),但是最好还是在前面进行强制类型转换，因为这样可以躲过一些编译器的检查。

malloc()函数和free()函数的机制说明

malloc函数原理

　　malloc()到底从哪里分配到内存空间？答案是从堆里面获得空间。也就是说函数返回的指针是指向堆里面的一块内存。操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操作系统收到程序的申请时，就会遍历该链表，然后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后就将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。关于堆的知识呢可以查询数据结构方面的知识。在使用malloc()分配内存空间后，一定要记得释放内存空间，否则就会出现内存泄漏。

free函数原理

　　free()到底释放了什么？free()释放的是指针指向的内存！注意！释放的是内存，不是指针！指针并没有被释放，指针仍然指向原来的存储空间。指针是一个变量，只有程序结束时才被销毁。释放了内存空间后，原来指向这块空间的指针还是存在！只不过现在指针指向的内容的垃圾，是未定义的，所以说是垃圾。因此，释放内存后把指针指向NULL，防止指针在后面不小心又被解引用了。free()的函数原型非常简单，只有一个参数，只要把指向申请空间的指针传递给free()中的参数就可以完成释放工作！这里要追踪到malloc()的申请问题了。申请的时候实际上占用的内存要比申请的大。因为超出的空间是用来记录对这块内存的管理信息。大多数实现所分配的存储空间比所要求的要稍大一些，额外的空间用来记录管理信息——分配块的长度，指向下一个分配块的指针等等。这就意味着如果写过一个已分配区的尾端，则会改写后一块的管理信息。这种类型的错误是灾难性的，但是因为这种错误不会很快就暴露出来，所以也就很难发现。将指向分配块的指针向后移动也可能会改写本块的管理信息。

 new运算符：

　　动态创建对象时，只需指定其数据类型，而不必为该对象命名，new表达式返回指向该新创建对象的指针，我们可以通过指针来访问此对象。

int *pi=new int;

　　这个new表达式在堆区中分配创建了一个整型对象，并返回此对象的地址，并用该地址初始化指针pi 。

　　动态创建的对象可以用初始化变量的方式初始化。

int *pi=new int(100); //指针pi所指向的对象初始化为100
string *ps=new string(10,’9’);//*ps 为“9999999999”

　　如果不提供显示初始化，对于类类型，用该类的默认构造函数初始化；而内置类型的对象则无初始化。

也可以对动态创建的对象做值初始化：

 

int *pi=new int( );//初始化为0
int *pi=new int;//pi 指向一个没有初始化的int
string *ps=new string( );//初始化为空字符串 （对于提供了默认构造函数的类类型，没有必要对其对象进行值初始化）

delete运算符：

　　释放指针指向的地址空间。

　　delete p; //执行完该语句后，p变成了不确定的指针，在很多机器上，尽管p值没有明确定义，但仍然存放了它之前所指对象的地址，然后p所指向的内存已经被释放了，所以p不再有效。此时，该指针变成了悬垂指针（悬垂指针指向曾经存放对象的内存，但该对象已经不存在了）。悬垂指针往往导致程序错误，而且很难检测出来。

　　一旦删除了指针所指的对象，立即将指针置为0，这样就非常清楚的指明指针不再指向任何对象。（零值指针：int *ip=0;）

区分零值指针和NULL指针

　　零值指针，是值是0的指针，可以是任何一种指针类型，可以是通用变体类型void*也可以是char*，int*等等。
　　空指针，其实空指针只是一种编程概念，就如一个容器可能有空和非空两种基本状态，而在非空时可能里面存储了一个数值是0，因此空指针是人为认为的指针不提供任何地址讯息。

new分配失败时，返回什么？

　　1993年前，c++一直要求在内存分配失败时operator new要返回0，现在则是要求operator new抛出std::bad_alloc异常。很多c++程序是在编译器开始支持新规范前写的。c++标准委员会不想放弃那些已有的遵循返回0规范的代码，所以他们提供了另外形式的operator new(以及operator new[])以继续提供返回0功能。这些形式被称为“无抛出”，因为他们没用过一个throw，而是在使用new的入口点采用了nothrow对象:

malloc与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。

int* ptr 1= new int [100];  //返回类型为int*，分配大小为sizeof(int)*100字节；

int* ptr2 = (int *)malloc(100); //返回类型为void*，需要强制转换为int*，分配大小为100字节；

　　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malloc/free为什么还需要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。

　　3) 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。

　　如果用free释放“new创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”，结果也会导致程序出错，但是该程序的可读性很差。所以　　new/delete必须配对使用，malloc/free也一样。