C++中的malloc函数详解

malloc 的全称是 memory allocation，中文译为动态内存分配。它用于在程序运行时申请一块指定大小的连续内存区域，并返回该区域的起始地址。当无法预先确定内存的具体位置时，可以通过 malloc 动态分配内存，且分配的大小就是程序要求的大小。

函数定义

malloc 的函数原型为：void *malloc(size_t size); 其作用是在内存的动态存储区中分配一个长度为 size 的连续空间。此函数的返回值是分配区域的起始地址，即一个指针，指向该分配域的开头位置。

如果分配成功，则返回指向被分配内存的指针（该存储区中的初始值不确定），否则返回空指针 NULL。当内存不再使用时，应使用 free() 函数将内存块释放。函数返回的指针需要适当对齐，以便可以用于任何数据对象。

早期版本的 malloc 返回 char 类型的指针，但新的 ANSI C 标准规定，该函数返回 void 类型的指针。因此，在使用时可能需要进行类型转换。malloc 能向系统申请分配一个长度为 num_bytes（或 size）个字节的内存块。通常，malloc 需要与 free 函数配对使用，以确保动态分配的内存能够正确释放。

工作机制

malloc 函数的核心机制在于维护一个空闲链表，该链表将所有可用的内存块连接起来。当调用 malloc 函数时，它会沿着链表寻找一个足够大的内存块来满足用户的请求。找到合适的内存块后，将其一分为二：一块与用户请求的大小相等，另一块则是剩余的部分。然后，将分配给用户的内存块返回给用户，并将剩余的内存块（如果有的话）重新放回链表中。调用 free 函数时，它会将用户释放的内存块重新连接到空闲链表上。

随着时间的推移，空闲链表可能会被分割成许多小的内存片段。如果用户请求一个较大的内存片段，而空闲链表中没有足够的连续内存块，malloc 会尝试将相邻的小内存片段合并成较大的内存块。如果仍然无法找到合适的内存块，malloc 将返回 NULL 指针。因此，在调用 malloc 动态申请内存时，必须检查其返回值是否为 NULL。

在 Linux 系统中，glibc 库通过 brk() 和 mmap() 系统调用来实现 malloc。当释放内存时，glibc 会尝试整合相邻的内存碎片，以提高内存利用率。

与 new 的区别

从本质上讲，malloc 是 C 语言标准库中的一个函数，而 new 是 C++ 语言中的关键字。malloc 需要包含头文件 stdlib.h，而 new 不需要包含任何头文件。C++ 编译器可以直接将 new 编译为目标代码，并插入相应的构造函数。

在使用上，malloc 和 new 有以下主要区别：

• new 返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需内存的大小。而 malloc 需要手动计算字节数，并在返回后强制转换为实际类型的指针。
• malloc 只负责分配内存，不会对内存进行初始化，因此新分配的内存中的值是随机的。而 new 除了分配内存外，还会调用对象的构造函数，对内存进行初始化。
• 通过 malloc 或 new 分配的内存，在其他操作上保持一致，但在释放内存时，malloc 使用 free 函数，而 new 使用 delete 运算符。

示例代码

以下是一个简单的示例，演示如何使用 malloc 函数分配和释放内存：

#include 
#include 

int main() {
    char *p;
    
    p = (char *)malloc(100);
    if (p) {
        printf("Memory Allocated at: %p\n", p);
    } else {
        printf("Not Enough Memory!\n");
    }
    free(p);
    return 0;
}