【底层机制】为什么 delete 或 free 不需要指定释放的大小？delete 和 free() 不需要我们指定大小

核心答案：

delete 和 free() 不需要我们指定大小，是因为内存分配器在分配内存时，已经暗中记录下了这块内存的大小等元信息（通常记录在分配的内存块之前或之后）。释放时，内存分配器通过我们提供的指针，反向查找这些元信息，从而知道需要释放多少内存。

详细原理与底层实现

这个过程可以分解为以下几个关键点：

1. 内存分配器的幕后工作

当你调用 new 或 malloc() 时，内存分配器所做的远不止是找到一块空闲内存给你。

请求与分配：你请求 N 字节的内存。
记录元数据：分配器会分配一块大于 N 字节的内存块。这多出来的部分用于存储元数据。元数据通常包括：
- 分配的内存块大小
- 用于调试的信息（如分配所在的文件、行号）
- 用于维护内存块链表结构的指针（如前一个块、后一个块）
- 校验和或魔术数字（用于检测内存损坏）
返回指针：分配器将指向用户数据区起始地址的指针返回给你。这个地址通常是“元数据起始地址 + 元数据大小”。

假设元数据需要 M 字节，分配器实际分配的内存结构在底层大致如下：

低地址方向
...
——————————————————————————————————————————————
| 元数据 (M字节) | 用户数据区 (N字节) | 填充/对齐 |
——————————————————————————————————————————————
^                 ^
|                 |
元数据起始地址     返回给用户的指针 (ptr)
(alloc_ptr)

图：内存分配器返回的指针 (ptr) 指向用户数据区，分配器通过 ptr - M 来定位元数据。

2. 释放时的逆向操作

当你调用 delete ptr 或 free(ptr) 时：

查找元数据：内存分配器接收到的 ptr 是你提供的、指向用户数据区的指针。分配器根据预定义的规则（例如，ptr - M），找到这块内存对应的元数据起始地址。
读取信息：从元数据中读取当初分配的大小 N 以及其他信息（用于完整性检查）。
执行释放：分配器现在知道了要释放的内存块的确切起始地址和大小，于是可以将这块内存标记为空闲，并回归到空闲内存池中，供后续分配使用。同时，它可能会检查校验和以确保内存没有被意外破坏（在调试模式下）。

3. 一个简单的类比

这就像你去停车场停车：

分配 (malloc/new)：管理员给你一张票（指针），并在他自己的本子（元数据）上记录下：“票号A123，对应车位B区05号（大小）”。
释放 (free/delete)：你归还票A123。管理员不需要你告诉他你的车有多大，他根据票号A123去查他的本子，就知道要去B区05号车位把车移走（释放），并且那个车位能停多大的车（大小）他也一清二楚。

深入探讨与重要细节

1. C++ 的 `delete` 与 `delete[]`

对于简单类型（如 int），delete 和 delete[] 通常可以混用，因为释放内存只需要知道起始地址和大小。

但对于类对象数组，它们绝不能混用。原因如下：

当你使用 new MyClass[10] 时，分配器除了分配10个对象的内存，还可能分配额外的空间来存储数组的元素个数（这是另一种元数据），供 delete[] 使用。
delete[] ptr：它会根据存储的数组元素个数 n，对每个对象（ptr[0] 到 ptr[n-1]）调用析构函数，然后再释放整个内存块。
delete ptr：它只会对 ptr[0] 调用析构函数，然后释放内存。这将导致后面9个对象的析构函数未被调用（资源泄漏），并且释放的地址可能也不对（因为 new[] 返回的地址可能不是分配的真实起始地址）。

这就是为什么必须配对使用 new/delete 和 new[]/delete[]。

2. 为什么不能 `free()` 一个 `new` 来的指针，反之亦然？

new/delete 和 malloc()/free() 可能使用不同的内存分配器。

C++ 的 new/delete 通常会使用它自己的运行时库来进行分配和释放。
C 的 malloc()/free() 使用 C 运行时库的分配器。

这两个分配器记录元数据的方式、位置和格式很可能完全不同。用 free() 去释放一个由 new 分配的对象，free() 会试图用C分配器的规则去解析它认为的“元数据”，结果必然是解析出一堆垃圾信息，导致未定义行为（通常是程序崩溃）。

3. 内存分配器的实现策略

不同的分配器记录元数据的方式不同，常见策略有：

显式长度存储：在最常见的实现中，元数据（包括大小）就存储在返回给用户的指针之前的几个字节。
segregated free lists：分配器维护多个不同大小的内存块链表。释放时，分配器可以根据指针所在的内存区域推断出它所属的块大小类别。

总结

操作	用户视角	内存分配器视角
分配 (`new`/`malloc`)	请求大小 `N`，得到一个指针 `ptr`。	分配 `N + M` 字节。记录大小等元数据。返回 `ptr`。
释放 (`delete`/`free`)	提供指针 `ptr`。	通过 `ptr` 找到元数据，读出大小 `N`。释放 `N + M` 字节。

所以，内存分配器通过“暗中记录”的方式，让用户从手动记录大小的繁琐和易错中解放出来。这是一种经典的“以空间换时间”和“抽象化”的设计，极大地简化了程序员的工作。但同时，它也要求我们必须遵守规则：分配和释放的方式必须匹配，否则分配器精心维护的元数据就会被破坏，导致灾难性后果。

【底层机制】为什么 delete 或 free 不需要指定释放的大小？