内存四区 malloc/free与new/delete的区别

前言

之前写了一篇关于《快速排序的4种优化》的博文，当时在验证各种情况的时候忽略内存分配的问题，导致所得到的结果分析的不全面。因为在刚开始写程序的时候将数组声明在 main() 里面，这样数组占用的栈空间，影响了递归的深度，也影响了程序处理的数据量(即使不用尾递归，处理的数据量也能超过 4 万)。在了解内存分配问题之前，先复习一下进程的概念。进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位(引入线程后，调度单位为线程)。简而言之，进程是程序的基本执行实体，是活的程序。程序和进程最大的差别为：是否获得了系统资源。进程会占用一定数量的内存，它可能是用来存放从磁盘载入的程序代码，也可能是存放取自用户输入的数据等。不过进程对这些内存的管理方式因内存用途不一而不尽相同，有些内存是事先静态分配和统一回收的，而有些却是按需要动态分配和回收的。

对任何一个普通进程来讲，它都会涉及到不同的数据段（如代码段，数据段，bss 段，堆段，栈段）

代码段：代码段是用来存放可执行文件的操作指令，也就是说是它是可执行程序在内存中的镜像。代码段需要防止在运行时被非法修改，所以只准许读取操作。其通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读，某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的变量，例如字符串常量等。

初始化数据段：通常将此段称为数据段，它用来存放可执行文件中需要明确赋初值的变量，换句话说就是存放程序静态分配的变量和全局变量。例如：int a = 100; 。

未初始化数据段：通常将此段称为 bss 段，它包含了程序中未初始化的全局变量。bss 是英文 Block Started by Symbol 的简称，bss 段属于静态内存分配。在程序开始执行之前，内核将此段中的数据初始化为 0 或空指针。例如：int sum[100]; 。// 此时，sum数组内的所有元素都为 0。

堆(heap)：堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用 malloc() 或 new 分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上；当利用 free() 或 delete 释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除。堆区由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由 OS 回收。注意：它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。( C++ Primer Plus 中文版 356 页说 new 创建的对象将驻留在栈内存是翻译者的错。)

栈：栈区(不同于数据结构中的栈)是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧 "{}" 中定义的变量（但不包括 static 声明的变量，static 意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的后进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。栈区由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。它是由操作系统分配的，内存的申请与回收都由 OS 管理。

内存四区图：

注意：栈的分配是由高向低，而堆是由低向高。

在进程被载入内存中时，基本上被分裂成许多小的节(section)。需要关注的是6个主要的节：

(1) .text 节：基本上相当于二进制可执行文件的 .text 部分，它包含了完成程序任务的机器指令。该节标记为只读，如果发生写操作，会造成 segmentation fault。在进程最初被加载到内存中开始，该节的大小就被固定。

(2) .data 节：用来存储初始化过的变量，如：int a = 0; 该节的大小在运行时固定的。

(3) .bss 节：用来存储未初始化的变量，如：int a; 该节的大小在运行时固定的。

(4) 堆节(heapsection)：用来存储动态分配的变量，位置从内存的低地址向高地址增长。内存的分配和释放通过 malloc() 和 free() 函数控制。

(5) 栈节(stacksection)：用来跟踪函数调用(可能是递归的)，在大多数系统上从内存的高地址向低地址增长。同时，栈这种增长方式，导致了缓冲区溢出的可能性。

(6) 环境/参数节(environment/argumentssection)：用来存储系统环境变量的一份复制文件，进程在运行时可能需要。例如，运行中的进程，可以通过环境变量来访问路径、shell 名称、主机名等信息。该节是可写的，因此在格式串(format string)和缓冲区溢出(buffer overflow)攻击中都可以使用该节。另外，命令行参数也保持在该区域中。

之前，我对这类知识不太关注，只是知道个大概，但是，最近的写的快排优化，让我意识到这类问题的重要性(也是对知识盲区的学习)。在哪一篇博文中，我习惯性的将数组声明写在了 main() 函数里。从而得出了在 Codeblocks 里使用固定基准方式(没有尾递归的情况)处理升序数组时只能处理 4 万个数组元素的结论(这一结论并不能说错，但忽略了内存分配的问题)。因为我之前并不太清楚 main 函数中的数组(不是动态分配)占用的是栈的空间。所以这就影响了递归的深度。准确的说，要是将数组声明成全局的，那个算法就可以处理更多的数据元素。上面的概念我们已经学习了，简化其复杂的内容，可以将内存的分配当做只有 4 个部分(代码区、数据区、堆和栈)。现在就用一个简单的例子来看看各种变量在内存中的分配情况：

#include <stdio.h>int a = 0;    //a在全局已初始化数据区
int asd[10];  //asd[]bss段
char *p1;     //p1在bss段（未初始化全局变量）
int main()
{int b;                   //b在栈区char s[] = "abc";        //s为数组变量，内容存储在栈区char *p1，p2;            //p1、p2在栈区char *p3 = "123456";     //123456\0是字符串常量，而p3在栈区  static int c = 0；       //C为静态数据，存在于已初始化数据区，另外，静态数据会自动初始化p1 = (char*)malloc(10);  //分配得来的10个字节的区域在堆区p2 = (char*)malloc(20);  //分配得来的20个字节的区域在堆区free(p1);free(p2);return 0;
}

2019.4.30补充

今天使用了一个函数 char *strtok_r(char *str, const char *delim, char **saveptr);，它的功能是切割字符串。传参的时候，我习惯性的创建char * str = " abc def "; 然后使用这个函数，结果程序报段错误。尝试修改为char str[ ] = " abc def "; 就可以解决问题。

这是因为这两种方式的操作对象不同。使用 char * str = "abc def" 后，编译器在内存的常量区分配一块内存，保存 "abc def" 这一字符串字面值，然后在栈上分配内存保存 str， str 的内容为 "abc def" 的地址。str 试图修改常量 "abc def" 的内容时(例如str[0] = 'g')，程序就崩了。而 char str[] = "abc def" 定义了一个数组，编译器为其在栈上分配了内存空间，因而可以进行修改操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main(void) {char source[] = "hello, world! welcome to china!";  //内容在栈区，可修改内容。char *input1 = source;                              //input1指向source，内容在栈区，所以input1可修改内容char *input2 = "hello, world! welcome to china!";   //input2所指内容在常量区，而input2本身在栈区//input2 = input1;(input2)[1] = 'a';                                  //尝试修改常量区的内容，程序出错printf("%c\n", (input1)[1]);                         printf("%c\n", (input2)[0]);                        //若只是读相关内容，程序能正常运行return 0;
}

malloc/free与new/delete的区别

相同点：都可用于申请动态内存和释放内存。

不同点：

(1) 操作对象有所不同。
malloc 与 free 是 C/C++ 的标准库函数，new/delete 是 C++ 的运算符。对于非内部数据类的对象而言，光用 malloc/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 malloc/free 。

(2) 用法上也有所不同。
函数 malloc 的原型如下：

void* malloc(size_t size);

用 malloc 申请一块长度为 length 的整数类型的内存，程序如下：

int *p = (int*)malloc(sizeof(int) * length);

注意：

① malloc 返回值的类型是 void *，所以在调用 malloc 时要显式地进行类型转换，将 void * 转换成所需要的指针类型。
② malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。

函数 free 的原型如下：

void free(void* memblock);

为什么 free 函数不象 malloc 函数那样复杂呢？原因是指针 p 的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句 free(p) 能正确地释放内存。如果 p 是 NULL 指针，那么 free 对 p 无论操作多少次都不会出问题。如果 p 不是 NULL 指针，那么 free 对 p 连续操作两次就会导致程序运行错误。

new/delete 的使用要点

运算符 new 使用起来要比函数 malloc 简单得多，例如：

int *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
int *p2 = new int[length];

这是因为 new 内置了 sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言，new 在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数，那么 new 的语句也可以有多种形式。
如果用 new 创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如：

Obj *objects = new Obj[100];     // 创建100 个动态对象
Obj *objects = new Obj[100](1);  // 错误写法，VS下直接报无参数构造函数

在用 delete 释放对象数组时，留意不要忘了符号'[ ]'。例如

delete []objects; // 正确的用法
delete objects;   // 错误的用法

后者相当于 delete objects[0]，漏掉了另外 99 个对象。

(1) new 自动计算需要分配的空间，而 malloc 需要手工计算字节数。
(2) new 是类型安全的，而 malloc 不是，比如：

int*p = new float[2];              //编译时指出错误
int*p = malloc(2*sizeof(float));   //编译时无法指出错误

new operator 由两步构成，分别是 operator new 和 construct 。
(3) operator new 对应于 malloc，但 operator new 可以重载，可以自定义内存分配策略，甚至不做内存分配，甚至分配到非内存设备上。而 malloc 无能为力。
(4) new 将调用 constructor，而 malloc 不能；delete 将调用 destructor，而 free 不能。
(5) malloc/free 要库文件支持，new/delete 则不要。

本质区别

malloc/free 是 C/C++ 语言的标准库函数，new/delete 是 C++ 的运算符。对于用户自定义的对象而言，用 maloc/free 无法满足动态管理对象的要求。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++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。

#include <iostream>
#include <malloc.h>
using namespace std;class Obj
{
public:Obj( ){ cout  <<  "Initialization"  <<  endl; }~ Obj( ){ cout  <<  "Destroy" <<  endl; }void Initialize( ){ cout  <<  "Initialization"  <<  endl; }void  Destroy( ){ cout  <<  "Destroy"  <<  endl; }
}obj;int main()
{Obj *objects = new Obj[10];cout <<endl;//use malloc & freeObj*a = (Obj*)malloc(sizeof(obj));// allocate memorya->Initialize();                // initializationa->Destroy();                   // deconstructionfree(a);                        // release memory//use new & deleteObj*b = new Obj;delete b;return 0;
}

问题：既然 new/delete 的功能完全覆盖了 malloc/free，为什么 C++ 还保留 malloc/free 呢？

答：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"，理论上讲程序不会出错，但是该程序的可读性很差。所以 new/delete、malloc/free 必须配对使用。

参考：https://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/6789164