new/delete和malloc/free到底有什么区别

new和malloc

前言

new和malloc的知识点，作为一个嵌入式工程师是必须要了解清楚的。new和malloc的区别到底在哪里呢

内存分配通常在以下场景下使用：

动态数据结构：如链表、栈、队列和图，这些数据结构的大小在程序运行时可能会变化。
大数据处理：当需要处理大块数据（如图像、文件数据等）时，动态分配可以根据实际需求分配内存。
用户输入：当用户输入的内容大小不可预见时，如读取不定长度的字符串。
资源管理：在需要创建大量对象，但具体数量在编译时无法确定的情况，如对象池或缓存系统。
动态内存分配提供了灵活性，使程序能够有效地管理内存，根据实际需求分配和释放内存。

一、属性上的区别

new/delete：是C++中的关键字（操作符），若要使用，需要编译器支持；
malloc/free：是标准库函数，若要使用则需要引入相应的头文件才可以正常使用。

二、使用上的区别

malloc：申请空间需要显式填入申请内存的大小；
new：无需显式填入申请的内存大小，new会根据new的类型分配内存。

/** malloc/free **/
int  *a  = (int*) malloc(4)； 
free(a)；

在这里，malloc(4) 分配了 4 字节的内存。由于 int 类型通常占用 4 字节，因此分配了足够存储一个 int 类型的数据。free 函数用于释放之前通过 malloc 或其他动态内存分配函数分配的内存。在这里，free(a) 释放了指针 a 指向的 4 字节的内存块。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 动态分配内存以存储一个整数
    int *a = (int*) malloc(sizeof(int));
    
    // 检查内存分配是否成功
    if (a == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1; // 结束程序并返回错误代码
    }
    
    // 设置分配的内存中的值
    *a = 42;

    // 打印内存中的值
    printf("内存中的值是: %d\n", *a);
    
    // 释放分配的内存
    free(a);

    // 将指针设为 NULL，避免悬挂指针
    a = NULL;

    return 0;
}

在调用 free 函数之前，确保指针确实指向了动态分配的内存是非常重要的。
为什么需要确保指针指向动态分配的内存？
1.内存释放的正确性：
free 函数的作用是释放之前由 malloc、calloc 或 realloc 函数分配的内存。如果指针 a 不指向有效的动态分配内存区域（即没有通过这些函数分配的内存），调用 free(a) 可能会导致未定义行为。未定义行为可能会导致程序崩溃、内存泄漏、数据损坏或其他难以预测的错误。
2.内存管理的安全性：
如果 a 指向非动态分配的内存（比如一个局部变量、全局变量或者静态变量），调用 free 可能会导致操作系统试图释放不属于它的内存，造成错误。例如，如果你试图释放一个未分配的指针或者已经被释放的指针（悬挂指针），这也会导致问题。
确保指针指向动态内存的措施
1.初始化指针：
在使用指针之前，初始化它为 NULL。这样，如果你忘记分配内存，它至少不会指向一个不确定的位置。
例如：int *a = NULL;
分配内存之后检查指针：
每次调用 malloc 或相关函数后，都应该检查指针是否为 NULL。如果为 NULL，说明内存分配失2.败，需要处理这种情况。
2.避免重复释放：
确保每个动态分配的内存块只被释放一次。重复释放同一块内存会导致未定义行为。
在释放内存后，可以将指针设置为 NULL，这有助于避免对已经释放内存的重复释放尝试。

free(a);
a = NULL;

3.管理指针的生命周期：
确保在释放内存之前，所有指针操作都合法且在范围内。避免在释放内存后还尝试使用该内存（如访问已释放的内存）。

 // 尝试释放已经释放的指针，安全地检查
    if (a != NULL) {
        free(a); // 这行不会被执行，因为 ma 是 NULL
    }

/** new/delete **/
int *b = new int(0);

分配内存：使用 new 关键字在堆上分配内存来存储一个 int 类型的值。
初始化内存：将这个 int 初始化为 0。
返回指针：new 操作符返回一个指向这块内存的指针，该指针被赋值给 b。
因此，b 是一个指向 int 类型的指针，指向的内存位置存储着值 0。

#include <iostream>

int main() {
    // 使用 new 操作符分配内存并初始化为 0
    int *b = new int(0);
    
    // 输出指针 b 指向的值
    std::cout << "The value of *b is: " << *b << std::endl;
    
    // 修改 b 指向的值
    *b = 42;
    std::cout << "The new value of *b is: " << *b << std::endl;
    
    // 释放分配的内存 避免内存泄漏
    delete b;

    // 将 b 设置为 nullptr，以避免悬挂指针
    b = nullptr;
    
    return 0;
}

三、内存位置的区别

new：此操作符分配的内存空间是在自由存储区；
malloc：申请的内存是在堆空间。
C/C++的内存通常分为：堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区、常量存储区。可能除了自由存储区，其他的内存分布大家应该都比较熟悉。堆：是C语言和操作系统的术语，堆是操作系统所维护的一块特殊内存，它提供了动态分配的功能，当运行程序调用malloc()时就会从中分配，调用free()归还内存。自由存储区：是C++中动态分配和释放对象的一个概念，通过new分配的内存区域可以称为自由存储区，通过delete释放归还内存。自由存储区可以是堆、全局/静态存储区等，具体是在哪个区，主要还是要看new的实现以及C++编译器默认new申请的内存是在哪里。但是基本上，很多C++编译器默认使用堆来实现自由存储，运算符new和delete内部默认是使用malloc和free的方式来被实现，说它在堆上也对，说它在自由存储区上也正确。因为在C++中new和delete符号是可以重载的，我们可以重新实现new的实现代码，可以让其分配的内存位置在静态存储区等。而malloc和free是C里的库函数，无法对其进行重载。

四、返回类型的区别

new操作符内存分配成功时，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无须进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。
malloc内存分配成功则是返回void* ，需要通过强制类型转换将void*指针转换成我们需要的类型。所以在C++程序中使用new会比malloc安全可靠。

五、分配失败的区别

malloc分配内存失败时返回NULL，我们可以通过判断返回值可以得知是否分配成功；
new内存分配失败时，会抛出bac_alloc异常，它不会返回NULL，分配失败时如果不捕捉异常，那么程序就会异常退出。

六、扩张内存的区别

malloc：使用malloc分配内存后，发现内存不够用，那我们可以通过realloc函数来扩张内存大小，realloc会先判断当前申请的内存后面是否还有足够的内存空间进行扩张，如果有足够的空间，那么就会往后面继续申请空间，并返回原来的地址指针；否则realloc会在另外有足够大小的内存申请一块空间，并将当前内存空间里的内容拷贝到新的内存空间里，最后返回新的地址指针。
new：new没有扩张内存的机制。

七、系统调度过程的区别

malloc free是库函数而不是运算符，不在编译器控制范围之内，不能够自动调用构造函数和析构函数。NEW在为对象申请分配内存空间时，可以自动调用构造函数，同时也可以完成对对象的初始化。同理，delete也可以自动调用析构函数。而malloc只是做一件事，只是为变量分配了内存，同理，free也只是释放变量的内存。

总结

new：

int *p = new int(5); // 分配内存并初始化为 5

在 C++ 中使用。
会调用构造函数来初始化对象。
用于分配单个对象或数组。
malloc：

int *p = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配内存，但不初始化

在 C 和 C++ 中使用。
不会调用构造函数，内存中的内容是未定义的。
需要强制转换为目标类型。

2. 内存释放
   new：使用 delete 或 delete[] 来释放内存。

delete p;       // 对应单个对象
delete[] p;     // 对应对象数组

malloc：使用 free 来释放内存。

free(p);

3. 异常处理
   new：
   如果内存分配失败，new 会抛出 std::bad_alloc 异常。
   可以使用 new(std::nothrow) 来避免抛出异常，而是返回 nullptr。
   malloc：
   如果内存分配失败，malloc 返回 NULL。不会抛出异常，适用于不支持 C++ 异常的环境。
4. 适用场景
   new：
   适用于 C++ 编程，特别是当你需要初始化对象或管理对象生命周期时。
   与 C++ 的对象构造和析构机制兼容。
   malloc：
   适用于 C 或者 C++ 中的低级内存管理，尤其是当你在 C++ 环境中需要兼容 C 代码时。
   更适合需要原始内存块的场景，但需要手动处理初始化和类型转换。