C++程式設計：細說 new與 malloc 的 10 點差別

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有什麼差別？

這是個老生常談的問題。當時我回答new從自由存儲區上配置設定記憶體，malloc從堆上配置設定記憶體；new/delete會調用構造函數/析構函數對對象進行初始化與銷毀；operator new/delete可以進行重載；然後強行分析了一下自由存儲區與堆的差別。回來後感覺這個問題其實回答得不怎麼好，因為關于new與malloc的差別實際上很多。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點差別

1. 申請的記憶體所在位置

   new操作符從自由存儲區（free store）上為對象動态配置設定記憶體空間，而malloc函數從堆上動态配置設定記憶體。自由存儲區是C++基于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，該記憶體即為自由存儲區。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，用于程式的記憶體動态配置設定，C語言使用malloc從堆上配置設定記憶體，使用free釋放已配置設定的對應記憶體。

那麼自由存儲區是否能夠是堆（問題等價于new是否能在堆上動态配置設定記憶體），這取決于operator new 的實作細節。自由存儲區不僅可以是堆，還可以是靜态存儲區，這都看operator new在哪裡為對象配置設定記憶體。

特别的，new甚至可以不為對象配置設定記憶體！定位new的功能可以辦到這一點：

new (place_address) type

place_address為一個指針，代表一塊記憶體的位址。當使用上面這種僅以一個位址調用new操作符時，new操作符調用特殊的operator new，也就是下面這個版本：

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

這個operator new不配置設定任何的記憶體，它隻是簡單地傳回指針實參，然後右new表達式負責在place_address指定的位址進行對象的初始化工作。

2.傳回類型安全性

new操作符記憶體配置設定成功時，傳回的是對象類型的指針，類型嚴格與對象比對，無須進行類型轉換，故new是符合類型安全性的操作符。而malloc記憶體配置設定成功則是傳回void * ，需要通過強制類型轉換将void*指針轉換成我們需要的類型。

類型安全很大程度上可以等價于記憶體安全，類型安全的代碼不會試圖方法自己沒被授權的記憶體區域。關于C++的類型安全性可說的又有很多了。

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3.記憶體配置設定失敗時的傳回值

new記憶體配置設定失敗時，會抛出bac_alloc異常，它不會傳回NULL；malloc配置設定記憶體失敗時傳回NULL。

在使用C語言時，我們習慣在malloc配置設定記憶體後判斷配置設定是否成功：

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根本不會傳回NULL，而且程式能夠執行到if語句已經說明記憶體配置設定成功了，如果失敗早就抛異常了。正确的做法應該是使用異常機制：

int *a = new int();
           

}

catch (bad_alloc)

{

...
           

}

如果你想順便了解下異常基礎，可以看http://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5136883.htmlC++ 異常機制分析。

4.是否需要指定記憶體大小

使用new操作符申請記憶體配置設定時無須指定記憶體塊的大小，編譯器會根據類型資訊自行計算，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來為我們自定義類型配置設定記憶體是不怎麼合适的，請看下一條。

5.是否調用構造函數/析構函數

使用new操作符來配置設定對象記憶體時會經曆三個步驟：

第一步：調用operator new 函數（對于數組是operator new[]）配置設定一塊足夠大的，原始的，未命名的記憶體空間以便存儲特定類型的對象。

第二步：編譯器運作相應的構造函數以構造對象，并為其傳入初值。

第三部：對象構造完成後，傳回一個指向該對象的指針。

使用delete操作符來釋放對象記憶體時會經曆兩個步驟：

第一步：調用對象的析構函數。

第二步：編譯器調用operator delete(或operator delete[])函數釋放記憶體空間。

總之來說，new/delete會調用對象的構造函數/析構函數以完成對象的構造/析構。而malloc則不會。如果你不嫌啰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所指記憶體的内容：

可以看出A的預設構造函數并沒有被調用，因為資料成員a,b的值并沒有得到初始化，這也是上面我為什麼說使用malloc/free來處理C++的自定義類型不合适，其實不止自定義類型，标準庫中凡是需要構造/析構的類型通通不合适。

而使用new來配置設定對象時：

int main()

{

A * ptr = new A;
           

}

檢視程式生成的彙編代碼可以發現，A的預設構造函數被調用了：

6.對數組的處理

C++提供了new[]與delete[]來專門處理數組類型:

A * ptr = new A[10];//配置設定10個A對象

使用new[]配置設定的記憶體必須使用delete[]進行釋放：

delete [] ptr;

new對數組的支援展現在它會分别調用構造函數函數初始化每一個數組元素，釋放對象時為每個對象調用析構函數。注意delete[]要與new[]配套使用，不然會找出數組對象部分釋放的現象，造成記憶體洩漏。

至于malloc，它并知道你在這塊記憶體上要放的數組還是啥别的東西，反正它就給你一塊原始的記憶體，在給你個記憶體的位址就完事。是以如果要動态配置設定一個數組的記憶體，還需要我們手動自定數組的大小：

int * ptr = (int ) malloc( sizeof(int) 10 );//配置設定一個10個int元素的數組

7.new與malloc是否可以互相調用

operator new /operator delete的實作可以基于malloc，而malloc的實作不可以去調用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 * operator new (sieze_t size)

{

if(void * mem = malloc(size)

    return mem;

else

    throw bad_alloc();
           

}

void operator delete(void *mem) noexcept

{

free(mem);
           

}

8.是否可以被重載

opeartor new /operator delete可以被重載。标準庫是定義了operator new函數和operator delete函數的8個重載版本：

//這些版本可能抛出異常

void * operator new(size_t);

void * operator new;

void * operator delete (void * )noexcept;

void * operator delete[](void *0）noexcept;

//這些版本承諾不抛出異常

void * operator new(size_t ,nothrow_t&) noexcept;

void * operator new[](size_t, nothrow_t& );

void * operator delete (void *,nothrow_t& )noexcept;

void * operator delete[](void *0,nothrow_t& ）noexcept;

我們可以自定義上面函數版本中的任意一個，前提是自定義版本必須位于全局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重載operator new /operator delete ,以決定我們的new與delete如何為對象配置設定記憶體，如何回收對象。

而malloc/free并不允許重載。

1. 能夠直覺地重新配置設定記憶體

   使用malloc配置設定的記憶體後，如果在使用過程中發現記憶體不足，可以使用realloc函數進行記憶體重新配置設定實作記憶體的擴充。realloc先判斷目前的指針所指記憶體是否有足夠的連續空間，如果有，原地擴大可配置設定的記憶體位址，并且傳回原來的位址指針；如果空間不夠，先按照新指定的大小配置設定空間，将原有資料從頭到尾拷貝到新配置設定的記憶體區域，而後釋放原來的記憶體區域。

new沒有這樣直覺的配套設施來擴充記憶體。

1. 客戶處理記憶體配置設定不足

   在operator new抛出異常以反映一個未獲得滿足的需求之前，它會先調用一個使用者指定的錯誤處理函數，這就是new-handler。new_handler是一個指針類型：

namespace std

{

typedef void (*new_handler)();
           

}

指向了一個沒有參數沒有傳回值的函數,即為錯誤處理函數。為了指定錯誤處理函數，客戶需要調用set_new_handler，這是一個聲明于的一個标準庫函數:

namespace std

{

new_handler set_new_handler(new_handler p ) throw();
           

}

set_new_handler的參數為new_handler指針，指向了operator new 無法配置設定足夠記憶體時該調用的函數。其傳回值也是個指針，指向set_new_handler被調用前正在執行（但馬上就要發生替換）的那個new_handler函數。

對于malloc，客戶并不能夠去程式設計決定記憶體不足以配置設定時要幹什麼事，隻能看着malloc傳回NULL。

總結

将上面所述的10點差别整理成表格：

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（數組），幫你播了種（構造函數），還提供其他的設施給你使用:

當然，malloc并不是說比不上new，它們各自有适用的地方。在C++這種偏重OOP的語言，使用new/delete自然是更合适的。本人從事線上教育多年，将自己的資料整合建了一個QQ群，有興趣一起交流學習c/c++的小夥伴可以加群：941636044，裡面有大神會給予解答，也會有許多的資源可以供大家學習分享，歡迎大家前來一起學習進步！