malloc / new / delete / free 全面对比与底层

一、malloc vs new

维度	malloc/free	new/delete
语言	C 库函数	C++ 运算符/关键字（不可重载调用形式上的全局但可替换）
类型	返回 void*，需强转	返回指定类型指针，类型安全
大小	需手动给字节数	由编译器按类型推导 + 自动算数组大小
构造/析构	只分配/释放内存，不调用构造与析构	分配后调用构造函数，释放前调用析构函数 ← 核心
失败	返回 NULL	默认抛 std::bad_alloc（或走 new_handler）
数组	手动算 n*sizeof	new T[n] / delete[]，长度由内部记录
释放	free 无需知对象类型	需 delete（要求类型已知以调析构）
可重载	—	可重载全局/类内 operator new/delete

一句话：malloc 只给"一块内存"，new 给"一个已构造好的对象"；free 只是回收，delete 先析构再回收。

new 的内部：void* p = operator new(sizeof(T)); // 分配p = new(p) T(args...); // placement new 调用构造 失败时 operator new 抛 bad_alloc。 delete p; 内部：p->~T(); operator delete(p);

二、new 的三种形式

形式	作用
new T(...)	分配 + 构造
new (place) T(...) placement new	在给定地址构造，不分配内存
new (nothrow) T(...)	分配失败不抛异常，返回 NULL

placement new 常用于内存池、容器手写（::operator new + placement new）。

三、delete 与 delete[] 的区别（经典必考）

T* a = new T[10];
delete a;    // ❌ 错误：只把首元素当单对象析构，数组其它元素不析构 → UB/泄漏
delete[] a;  // ✅ 正确：逐个析构

为什么 delete[] 知道析构 n 个？ 实现常在数组分配时、在返回首地址前存一个"元素个数"（如头部 cookie / 或借助 size 信息）。delete[] 读该计数逐个调用析构。

• 对内置类型（int 等）无析构时，delete 与 delete[] 常常"碰巧能跑"，但仍是未定义行为，面试要强调：凡是 new[] 就必须 delete[]，凡是 new 就必须 delete。
• 手写 String、容器类若持有数组，析构函数里必须 delete[]。

四、free 与 delete / malloc 失败

• malloc 失败返回 NULL（需判空）。
• new 失败：默认 throw std::bad_alloc（多数现代平台基本不失败，因过量分配 overcommit）。想不抛：new(std::nothrow)。
• 自定义失败处理：std::set_new_handler 设置回调（循环释放内存重试）。

五、malloc 底层（brk / mmap / 内存池）

经典 ptmalloc（glibc）实现：

1. 大块（> MMAP_THRESHOLD，默认 128KB） → 直接用 mmap 系统调用分配一段匿名内存（归还时 munmap，易回收、避免堆碎片）。
2. 小块 → 通过 brk/sbrk 扩展数据段（堆）顶部，交由用户态分配器管理。
3. 用户态分配器维护 free lists（空闲块链表，按大小分类 bins：fastbins/smallbins/largebins/unsorted），malloc 在 bins 里找合适空闲块；free 把块放回 bins（可合并相邻空闲块减少外碎片）。
4. 首次分配 / 空间不足时才调 brk/mmap 扩堆。分配时返回给用户的块往往比请求多一小块（头部存 size/状态）。

malloc(1KB) vs malloc(1MB)：

• 1KB → 走堆 brk + 用户态 bins 缓冲，快、可复用。
• 1MB> 阈值 → 大部分实现直接走 mmap（单独映射，free 时 munmap 归还内核）。两者都可；面试强调 <<阈值走堆、大块走 mmap>>。

内存碎片：

• 内部碎片：分配块比请求大一点（头部 cookie/对齐）。
• 外部碎片：已释放零散小块无法凑成大块连续空间。
• 解决：内存池 / jemalloc/tcmalloc / 对象池，及大块走 mmap。

六、手写/示意 operator new 替换

// 全局替换（演示思路，需在链接层控制）
void* operator new(std::size_t sz) {
    if (void* p = std::malloc(sz)) return p;
    throw std::bad_alloc();
}
void operator delete(void* p) noexcept { std::free(p); }

可延伸到「拦截/统计分配」实现内存泄漏检测（覆盖 new/delete/free 计数分配与释放对账）。这也正是手写「new/delete 计数分配器 + 报告未释放」的常用方法。

七、经典追问

1. new[] 额外存长度会不会导致返回的指针与我们以为的起始不同？—— 是，可能把 cookie 放前面；这就是为何同一指针必须配 delete[]，不能混用 delete/delete[]/free。
2. placement new 什么情况用？—— 内存池里预分配好内存再就地构造；容器实现里的 ::operator new + new(ptr)T。
3. malloc 释放时怎么知道块大小？—— free 从传入指针找前面头部的 size 字段。
4. 为什么说 malloc 不一定真的调用系统调用？—— 首次分配到够用则复用 bins 内空闲块，只有不足才扩展。