在 C 和 C++ 中，malloc 和 free 是动态内存管理的核心函数。其中，malloc 需要传入申请的内存大小，而 free 却不需要，这背后的原因涉及动态内存分配的实现原理和设计哲学。
- 为什么 malloc 需要传入大小？
malloc 的功能是从堆中分配一块指定大小的内存，返回该内存块的起始地址。由于程序无法预知需要分配的内存大小，malloc 必须从调用者接收一个参数来指明需要分配的大小。
实现原因
在大多数内存管理系统中，堆空间是一块连续的内存区域，堆管理器需要知道：
需要分配的内存块的大小：用于找到或者分配合适的内存块。
如何跟踪管理分配和空闲的内存块：堆管理器通常会在内部维护一张记录分配状态的表（如空闲链表、位图等），以便后续分配和释放。
因此，malloc 需要调用者明确告诉它需要多少字节的内存。
- 为什么 free 不需要传入大小？
free 的功能是释放由 malloc 分配的内存。调用时，free 只需要传入 malloc 返回的指针地址即可，不需要额外传入内存块的大小。这是因为堆管理器已经有能力根据指针找到对应的内存块大小。
实现原因
当 malloc 分配内存时，堆管理器通常会在返回的内存块前面存储一些额外的元信息（metadata），这些元信息可能包括：
内存块的大小。
内存块的状态（如分配或空闲）。
链表指针（用于连接空闲块等）。
例如，假设 malloc 返回的地址是 ptr，堆管理器可能在 ptr 之前的地址存储元信息（如内存块大小）。当调用 free(ptr) 时，堆管理器可以通过 ptr 找到内存块的元信息，从而知道该块的大小并正确地释放它。
这种设计避免了在调用 free 时再传入大小，因为堆管理器已经维护了相关信息。
- 设计哲学和安全性考虑
简化接口
设计上，malloc 和 free 的接口尽可能简单：
malloc 负责分配时传入大小。
free 只负责释放对应的指针地址，不需要用户再额外传入大小。
这种设计减少了用户操作的复杂性和出错的可能性（如传入错误大小）。
避免用户错误
如果 free 需要用户传入大小，用户可能传入错误的大小值，导致内存管理混乱甚至程序崩溃。
通过让堆管理器自动跟踪内存块大小，这种潜在的错误被避免了。
动态内存分配的通用性
现代堆管理器的实现通常允许内存块的大小动态变化（如内存合并、分裂等优化操作）。如果释放时需要用户传入大小，则很难适应这种动态变化。
通过元信息记录内存块的大小，堆管理器可以灵活管理内存，而不用依赖调用者。
- 堆管理器的典型工作方式
以下是一个简化的动态内存管理过程：
分配阶段 (malloc)：
用户调用 malloc(size)，传入需要的内存大小。
堆管理器从内部记录的空闲内存中找到合适的块。
在分配的内存块前预留一部分空间存储元信息（如块大小）。
返回指向内存块的指针（跳过元信息部分）。
释放阶段 (free)：
用户调用 free(ptr)，传入指针 ptr。
堆管理器通过 ptr 找到对应的内存块元信息，获取该块的大小。
将该块标记为“空闲”，并尝试与相邻的空闲块合并（如果支持内存合并）。
元信息的示例
假设堆管理器使用块前置元信息存储分配记录：
复制
| 元信息（块大小） | 用户可用内存 |
^ ^
块起始地址 malloc 返回地址
malloc 会填充元信息并返回用户可用内存的起始地址。
free 会通过 ptr（malloc 返回的地址）向前查找元信息，获取块大小。
- 特殊情况：C++ 中的 new/delete
在 C++ 中，动态内存管理函数是 new 和 delete，它们的行为和 malloc/free 类似，但有一些特点：
new 不需要指定大小：new 是一个运算符，它知道要分配的对象类型，因此会自动计算所需大小。
delete 也不需要大小：类似 free，delete 通过分配器管理的元信息找到内存块的大小并释放。
与 malloc/free 不同，new/delete 会调用构造函数和析构函数，适合管理对象而非纯内存。
总结
malloc 需要大小，因为它需要知道分配的内存块大小以从堆中找到合适的空间。
free 不需要大小，因为堆管理器在分配内存时已经记录了每个块的大小，释放时可以通过内部元信息找到相应的数据。
这种设计既简化了接口，又提高了安全性，避免了用户传递错误大小值的风险。