正文

前言

幾個星期前去面試C++研發的實習崗位，面試官問了個問題：

new與malloc有什麼區別？

這是個老生常談的問題。當時我回答new從自由儲存區上分配記憶體，malloc從堆上分配記憶體；new/delete會呼叫建構函式/解構函式對物件進行初始化與銷燬；operator new/delete可以進行過載；然後強行分析了一下自由儲存區與堆的區別。回來後感覺這個問題其實回答得不怎麼好，因為關於new與malloc的區別實際上很多。面試期間剛好是剛期末考完，之後是幾個課設沒時間去整理。今天花了點時間整理下這個問題。

new與malloc的10點區別

1. 申請的記憶體所在位置

new操作符從自由儲存區（free store）上為物件動態分配記憶體空間，而malloc函式從堆上動態分配記憶體。自由儲存區是C++基於new操作符的一個抽象概念，凡是通過new操作符進行記憶體申請，該記憶體即為自由儲存區。而堆是作業系統中的術語，是作業系統所維護的一塊特殊記憶體，用於程式的記憶體動態分配，C語言使用malloc從堆上分配記憶體，使用free釋放已分配的對應記憶體。

那麼自由儲存區是否能夠是堆（問題等價於new是否能在堆上動態分配記憶體），這取決於operator new 的實現細節。自由儲存區不僅可以是堆，還可以是靜態儲存區，這都看operator new在哪裡為物件分配記憶體。

特別的，new甚至可以不為物件分配記憶體！定位new的功能可以辦到這一點：

new (place_address) type

place_address為一個指標，代表一塊記憶體的地址。當使用上面這種僅以一個地址呼叫new操作符時，new操作符呼叫特殊的operator new，也就是下面這個版本：

void * operatornew (size_t,void *) //不允許重定義這個版本的operator new

這個operator new不分配任何的記憶體，它只是簡單地返回指標實參，然後右new表示式負責在place_address指定的地址進行物件的初始化工作。

2.返回型別安全性

new操作符記憶體分配成功時，返回的是物件型別的指標，型別嚴格與物件匹配，無須進行型別轉換，故new是符合型別安全性的操作符。而malloc記憶體分配成功則是返回void * ，需要通過強制型別轉換將void*指標轉換成我們需要的型別。
型別安全很大程度上可以等價於記憶體安全，型別安全的程式碼不會試圖方法自己沒被授權的記憶體區域。關於C++的型別安全性可說的又有很多了。

3.記憶體分配失敗時的返回值

new記憶體分配失敗時，會丟擲bac_alloc異常，它不會返回NULL；malloc分配記憶體失敗時返回NULL。
在使用C語言時，我們習慣在malloc分配記憶體後判斷分配是否成功：

int *a  = (int *)malloc ( sizeof (int ));
if(NULL == a)
{
    ...
}
else 
{
    ...
}

從C語言走入C++陣營的新手可能會把這個習慣帶入C++：

int * a = new int();
if(NULL == a)
{
    ...
}
else
{   
    ...
}

實際上這樣做一點意義也沒有，因為new根本不會返回NULL，而且程式能夠執行到if語句已經說明記憶體分配成功了，如果失敗早就拋異常了。正確的做法應該是使用異常機制：

try
{
    int *a = new int();
}
catch (bad_alloc)
{
    ...
}

4.是否需要指定記憶體大小

使用new操作符申請記憶體分配時無須指定記憶體塊的大小，編譯器會根據型別資訊自行計算，而malloc則需要顯式地指出所需記憶體的尺寸。

class A{...}
A * ptr = new A;
A * ptr = (A *)malloc(sizeof(A)); //需要顯式指定所需記憶體大小sizeof(A); 

當然了，我這裡使用malloc來為我們自定義型別分配記憶體是不怎麼合適的，請看下一條。

5.是否呼叫建構函式/解構函式

使用new操作符來分配物件記憶體時會經歷三個步驟：

• 第一步：呼叫operator new 函式（對於陣列是operator new[]）分配一塊足夠大的，原始的，未命名的記憶體空間以便儲存特定型別的物件。
• 第二步：編譯器執行相應的建構函式以構造物件，併為其傳入初值。
• 第三部：物件構造完成後，返回一個指向該物件的指標。

使用delete操作符來釋放物件記憶體時會經歷兩個步驟：

• 第一步：呼叫物件的解構函式。
• 第二步：編譯器呼叫operator delete(或operator delete[])函式釋放記憶體空間。

總之來說，new/delete會呼叫物件的建構函式/解構函式以完成物件的構造/析構。而malloc則不會。如果你不嫌囉嗦可以看下我的例子：

class A
{
public:
    A() :a(1), b(1.11){}
private:
    int a;
    double b;
};
int main()
{
    A * ptr = (A*)malloc(sizeof(A));
    return 0;
}

在return處設定斷點，觀看ptr所指記憶體的內容：

可以看出A的預設建構函式並沒有被呼叫，因為資料成員a,b的值並沒有得到初始化，這也是上面我為什麼說使用malloc/free來處理C++的自定義型別不合適，其實不止自定義型別，標準庫中凡是需要構造/析構的型別通通不合適。

而使用new來分配物件時：

int main()
{
    A * ptr = new A;
}

檢視程式生成的彙編程式碼可以發現，A的預設建構函式被呼叫了：

6.對陣列的處理

C++提供了new[]與delete[]來專門處理陣列型別:

    A * ptr = new A[10];//分配10個A物件

使用new[]分配的記憶體必須使用delete[]進行釋放：

    delete [] ptr;

new對陣列的支援體現在它會分別呼叫建構函式函式初始化每一個數組元素，釋放物件時為每個物件呼叫解構函式。注意delete[]要與new[]配套使用，不然會找出陣列物件部分釋放的現象，造成記憶體洩漏。

至於malloc，它並知道你在這塊記憶體上要放的陣列還是啥別的東西，反正它就給你一塊原始的記憶體，在給你個記憶體的地址就完事。所以如果要動態分配一個數組的記憶體，還需要我們手動自定陣列的大小：

int * ptr = (int *) malloc( sizeof(int)* 10 );//分配一個10個int元素的陣列

7.new與malloc是否可以相互呼叫

operator new /operator delete的實現可以基於malloc，而malloc的實現不可以去呼叫new。下面是編寫operator new /operator delete 的一種簡單方式，其他版本也與之類似：

void * operatornew (sieze_t size)
{
    if(void * mem = malloc(size)
        return mem;
    else
        throw bad_alloc();
}
voidoperatordelete(void *mem) noexcept{
    free(mem);
}

8.是否可以被過載

opeartor new /operator delete可以被過載。標準庫是定義了operator new函式和operator delete函式的8個過載版本：

//這些版本可能丟擲異常
void * operatornew(size_t);
void * operator new[](size_t);
void * operatordelete (void * )noexcept;
void * operator delete[](void *0）noexcept;
//這些版本承諾不丟擲異常
void * operatornew(size_t ,nothrow_t&) noexcept;
void * operator new[](size_t, nothrow_t& );
void * operatordelete (void *,nothrow_t& )noexcept;
void * operator delete[](void *0,nothrow_t& ）noexcept;

我們可以自定義上面函式版本中的任意一個，前提是自定義版本必須位於全域性作用域或者類作用域中。太細節的東西不在這裡講述，總之，我們知道我們有足夠的自由去過載operator new /operator delete ,以決定我們的new與delete如何為物件分配記憶體，如何回收物件。

而malloc/free並不允許過載。

9. 能夠直觀地重新分配記憶體

使用malloc分配的記憶體後，如果在使用過程中發現記憶體不足，可以使用realloc函式進行記憶體重新分配實現記憶體的擴充。realloc先判斷當前的指標所指記憶體是否有足夠的連續空間，如果有，原地擴大可分配的記憶體地址，並且返回原來的地址指標；如果空間不夠，先按照新指定的大小分配空間，將原有資料從頭到尾拷貝到新分配的記憶體區域，而後釋放原來的記憶體區域。

new沒有這樣直觀的配套設施來擴充記憶體。

10. 客戶處理記憶體分配不足

在operator new丟擲異常以反映一個未獲得滿足的需求之前，它會先呼叫一個使用者指定的錯誤處理函式，這就是new-handler。new_handler是一個指標型別：

namespace std
{
    typedefvoid (*new_handler)();
}

指向了一個沒有引數沒有返回值的函式,即為錯誤處理函式。為了指定錯誤處理函式，客戶需要呼叫set_new_handler，這是一個聲明於的一個標準庫函式:

namespace std
{
    new_handler set_new_handler(new_handler p ) throw();
}

set_new_handler的引數為new_handler指標，指向了operator new 無法分配足夠記憶體時該呼叫的函式。其返回值也是個指標，指向set_new_handler被呼叫前正在執行（但馬上就要發生替換）的那個new_handler函式。

對於malloc，客戶並不能夠去程式設計決定記憶體不足以分配時要幹什麼事，只能看著malloc返回NULL。

總結

將上面所述的10點差別整理成表格：

malloc給你的就好像一塊原始的土地，你要種什麼需要自己在土地上來播種

而new幫你劃好了田地的分塊（陣列），幫你播了種（建構函式），還提供其他的設施給你使用:

當然，malloc並不是說比不上new，它們各自有適用的地方。在C++這種偏重OOP的語言，使用new/delete自然是更合適的。