C++ 中的 new/delete 和 new[]/delete[]深入理解

Posted 2023-02-04 jlqzzz

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++ 中的 new/delete 和 new[]/delete[]深入理解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在 C++ 中，你也许经常使用 new 和 delete 来动态申请和释放内存，但你可曾想过以下问题呢？

new 和 delete 是函数吗？
new [] 和 delete [] 又是什么？什么时候用它们？
你知道 operator new 和 operator delete 吗？
为什么 new [] 出来的数组有时可以用 delete 释放有时又不行？
…

如果你对这些问题都有疑问的话，不妨看看我这篇文章。

new 和 delete 到底是什么？

如果找工作的同学看一些面试的书，我相信都会遇到这样的题：sizeof 不是函数，然后举出一堆的理由来证明 sizeof 不是函数。在这里，和 sizeof 类似，new 和 delete 也不是函数，它们都是 C++ 定义的关键字，通过特定的语法可以组成表达式。和 sizeof 不同的是，sizeof 在编译时候就可以确定其返回值，new 和 delete 背后的机制则比较复杂。
继续往下之前，请你想想你认为 new 应该要做些什么？也许你第一反应是，new 不就和 C 语言中的 malloc 函数一样嘛，就用来动态申请空间的。你答对了一半，看看下面语句：

string *ps = new string("hello world");

你就可以看出 new 和 malloc 还是有点不同的，malloc 申请完空间之后不会对内存进行必要的初始化，而 new 可以。所以 new expression 背后要做的事情不是你想象的那么简单。在我用实例来解释 new 背后的机制之前，你需要知道 operator new 和 operator delete 是什么玩意。

operator new 和 operator delete

这两个其实是 C++ 语言标准库的库函数，原型分别如下：

void *operator new(size_t);     //allocate an object
void *operator delete(void *);    //free an object

void *operator new[](size_t);     //allocate an array
void *operator delete[](void *);    //free an array

后面两个你可以先不看，后面再介绍。前面两个均是 C++ 标准库函数，你可能会觉得这是函数吗？请不要怀疑，这就是函数！C++ Primer 一书上说这不是重载 new 和 delete 表达式（如 operator= 就是重载 = 操作符），因为 new 和 delete 是不允许重载的。但我还没搞清楚为什么要用 operator new 和 operator delete 来命名，比较费解。我们只要知道它们的意思就可以了，这两个函数和 C 语言中的 malloc 和 free 函数有点像了，都是用来申请和释放内存的，并且 operator new 申请内存之后不对内存进行初始化，直接返回申请内存的指针。

我们可以直接在我们的程序中使用这几个函数。

new 和 delete 背后机制

知道上面两个函数之后，我们用一个实例来解释 new 和 delete 背后的机制：

我们不用简单的 C++ 内置类型来举例，使用复杂一点的类类型，定义一个类 A：

class A

public:
    A(int v) : var(v)
    
        fopen_s(&file, "test", "r");
    
    ~A()
    
        fclose(file);
    

private:
    int var;
    FILE *file;
;

很简单，类 A 中有两个私有成员，有一个构造函数和一个析构函数，构造函数中初始化私有变量 var 以及打开一个文件，析构函数关闭打开的文件。

我们使用

class A *pA = new A(10);

来创建一个类的对象，返回其指针 pA。如下图所示 new 背后完成的工作：

id="iframe_0.27411716617643833" src="data:text/html;charset=utf8,%3Cimg%20id=%22img%22%20src=%22https://github-camo.global.ssl.fastly.net/48182649501319d27121ede912b19be491b1b0a2/687474703a2f2f692e696d6775722e636f6d2f454a736e6b4a342e6a7067?_=0.28783797565847635%22%20style=%22border:none;max-width:911px%22%3E%3Cscript%3Ewindow.onload%20=%20function%20()%20%7Bvar%20height%20=%20document.getElementById('img').height;window.parent.postMessage(%7BiframeId:'iframe_0.27411716617643833',height:height%7D,%20'http://www.cnblogs.com');%7D%3C/script%3E" frameborder="0" scrolling="no" height="844" style="margin: 0px; padding: 0px; border-style: none; border-width: initial; width: 911px;">

简单总结一下：

首先需要调用上面提到的 operator new 标准库函数，传入的参数为 class A 的大小，这里为 8 个字节，至于为什么是 8 个字节，你可以看看《深入 C++ 对象模型》一书，这里不做多解释。这样函数返回的是分配内存的起始地址，这里假设是 0x007da290。
上面分配的内存是未初始化的，也是未类型化的，第二步就在这一块原始的内存上对类对象进行初始化，调用的是相应的构造函数，这里是调用 A:A(10); 这个函数，从图中也可以看到对这块申请的内存进行了初始化，var=10, file 指向打开的文件。
最后一步就是返回新分配并构造好的对象的指针，这里 pA 就指向 0x007da290 这块内存，pA 的类型为类 A 对象的指针。

所有这三步，你都可以通过反汇编找到相应的汇编代码，在这里我就不列出了。

好了，那么 delete 都干了什么呢？还是接着上面的例子，如果这时想释放掉申请的类的对象怎么办？当然我们可以使用下面的语句来完成：

delete pA;

delete 所做的事情如下图所示：

id="iframe_0.5878946108277887" src="data:text/html;charset=utf8,%3Cimg%20id=%22img%22%20src=%22https://github-camo.global.ssl.fastly.net/8bfb4701b5c270dc3b27c86bce57f2d31562d82f/687474703a2f2f692e696d6775722e636f6d2f3156767239467a2e6a7067?_=0.7471509999595582%22%20style=%22border:none;max-width:911px%22%3E%3Cscript%3Ewindow.onload%20=%20function%20()%20%7Bvar%20height%20=%20document.getElementById('img').height;window.parent.postMessage(%7BiframeId:'iframe_0.5878946108277887',height:height%7D,%20'http://www.cnblogs.com');%7D%3C/script%3E" frameborder="0" scrolling="no" height="469" style="margin: 0px; padding: 0px; border-style: none; border-width: initial; width: 911px;">

delete 就做了两件事情：

调用 pA 指向对象的析构函数，对打开的文件进行关闭。
通过上面提到的标准库函数 operator delete 来释放该对象的内存，传入函数的参数为 pA 的值，也就是 0x007d290。

好了，解释完了 new 和 delete 背后所做的事情了，是不是觉得也很简单？不就多了一个构造函数和析构函数的调用嘛。

如何申请和释放一个数组？

我们经常要用到动态分配一个数组，也许是这样的：

string *psa = new string[10];      //array of 10 empty strings
int *pia = new int[10];           //array of 10 uninitialized ints

上面在申请一个数组时都用到了 new [] 这个表达式来完成，按照我们上面讲到的 new 和 delete 知识，第一个数组是 string 类型，分配了保存对象的内存空间之后，将调用 string 类型的默认构造函数依次初始化数组中每个元素；第二个是申请具有内置类型的数组，分配了存储 10 个 int 对象的内存空间，但并没有初始化。

如果我们想释放空间了，可以用下面两条语句：

delete [] psa;
delete [] pia;

都用到 delete [] 表达式，注意这地方的 [] 一般情况下不能漏掉！我们也可以想象这两个语句分别干了什么：第一个对 10 个 string 对象分别调用析构函数，然后再释放掉为对象分配的所有内存空间；第二个因为是内置类型不存在析构函数，直接释放为 10 个 int 型分配的所有内存空间。

这里对于第一种情况就有一个问题了：我们如何知道 psa 指向对象的数组的大小？怎么知道调用几次析构函数？

这个问题直接导致我们需要在 new [] 一个对象数组时，需要保存数组的维度，C++ 的做法是在分配数组空间时多分配了 4 个字节的大小，专门保存数组的大小，在 delete [] 时就可以取出这个保存的数，就知道了需要调用析构函数多少次了。

还是用图来说明比较清楚，我们定义了一个类 A，但不具体描述类的内容，这个类中有显示的构造函数、析构函数等。那么当我们调用

class A *pAa = new A[3];

时需要做的事情如下：

id="iframe_0.2150536400731653" src="data:text/html;charset=utf8,%3Cimg%20id=%22img%22%20src=%22https://github-camo.global.ssl.fastly.net/1a2da83d54ac0110f8cdb13a6645dd5f9240e760/687474703a2f2f692e696d6775722e636f6d2f366857304431702e6a7067?_=0.41488513606600463%22%20style=%22border:none;max-width:911px%22%3E%3Cscript%3Ewindow.onload%20=%20function%20()%20%7Bvar%20height%20=%20document.getElementById('img').height;window.parent.postMessage(%7BiframeId:'iframe_0.2150536400731653',height:height%7D,%20'http://www.cnblogs.com');%7D%3C/script%3E" frameborder="0" scrolling="no" height="501" style="margin: 0px; padding: 0px; border-style: none; border-width: initial; width: 911px;">

从这个图中我们可以看到申请时在数组对象的上面还多分配了 4 个字节用来保存数组的大小，但是最终返回的是对象数组的指针，而不是所有分配空间的起始地址。

这样的话，释放就很简单了：

delete []pAa;

id="iframe_0.18718571006320417" src="data:text/html;charset=utf8,%3Cimg%20id=%22img%22%20src=%22https://github-camo.global.ssl.fastly.net/db76cce60aaa6f0ad3ab65cd00b0ca26a5271547/687474703a2f2f692e696d6775722e636f6d2f3155425444316c2e6a7067?_=0.9617116556037217%22%20style=%22border:none;max-width:911px%22%3E%3Cscript%3Ewindow.onload%20=%20function%20()%20%7Bvar%20height%20=%20document.getElementById('img').height;window.parent.postMessage(%7BiframeId:'iframe_0.18718571006320417',height:height%7D,%20'http://www.cnblogs.com');%7D%3C/script%3E" frameborder="0" scrolling="no" height="559" style="margin: 0px; padding: 0px; border-style: none; border-width: initial; width: 911px;">

这里要注意的两点是：

调用析构函数的次数是从数组对象指针前面的 4 个字节中取出；
传入 operator delete[] 函数的参数不是数组对象的指针 pAa，而是 pAa 的值减 4。

为什么 new/delete 、new []/delete[] 要配对使用？

其实说了这么多，还没到我写这篇文章的最原始意图。从上面解释的你应该懂了 new/delete、new[]/delete[] 的工作原理了，因为它们之间有差别，所以需要配对使用。但偏偏问题不是这么简单，这也是我遇到的问题，如下这段代码：

int *pia = new int[10];
delete []pia;

这肯定是没问题的，但如果把 delete []pia; 换成 delete pia; 的话，会出问题吗？

这就涉及到上面一节没提到的问题了。上面我提到了在 new [] 时多分配 4 个字节的缘由，因为析构时需要知道数组的大小，但如果不调用析构函数呢（如内置类型，这里的 int 数组）？我们在 new [] 时就没必要多分配那 4 个字节， delete [] 时直接到第二步释放为 int 数组分配的空间。如果这里使用 delete pia;那么将会调用 operator delete 函数，传入的参数是分配给数组的起始地址，所做的事情就是释放掉这块内存空间。不存在问题的。

这里说的使用 new [] 用 delete 来释放对象的提前是：对象的类型是内置类型或者是无自定义的析构函数的类类型！

我们看看如果是带有自定义析构函数的类类型，用 new [] 来创建类对象数组，而用 delete 来释放会发生什么？用上面的例子来说明：

class A *pAa = new class A[3];
delete pAa;

那么 delete pAa; 做了两件事：

调用一次 pAa 指向的对象的析构函数；
调用 operator delete(pAa); 释放内存。

显然，这里只对数组的第一个类对象调用了析构函数，后面的两个对象均没调用析构函数，如果类对象中申请了大量的内存需要在析构函数中释放，而你却在销毁数组对象时少调用了析构函数，这会造成内存泄漏。

上面的问题你如果说没关系的话，那么第二点就是致命的了！直接释放 pAa 指向的内存空间，这个总是会造成严重的段错误，程序必然会奔溃！因为分配的空间的起始地址是 pAa 指向的地方减去 4 个字节的地方。你应该传入参数设为那个地址！

同理，你可以分析如果使用 new 来分配，用 delete [] 来释放会出现什么问题？是不是总会导致程序错误？

总的来说，记住一点即可：new/delete、new[]/delete[] 要配套使用总是没错的！

二. 简介
new有三种使用方式：plain new，nothrow new和placement new。

（1）plain new顾名思义就是普通的new，就是我们惯常使用的new。在C++中是这样定义的：
void* operator new(std::size_t) throw(std::bad_alloc);
void operator delete(void *) throw();

提示：plain new在分配失败的情况下，抛出异常std::bad_alloc而不是返回NULL，因此通过判断返回值是否为NULL是徒劳的。

（2）nothrow new是不抛出异常的运算符new的形式。nothrow new在失败时，返回NULL。定义如下：
void * operator new(std::size_t,const std::nothrow_t&) throw();
void operator delete(void*) throw();

（3）placement new意即“放置”，这种new允许在一块已经分配成功的内存上重新构造对象或对象数组。placement new不用担心内存分配失败，因为它根本不分配内存，它做的唯一一件事情就是调用对象的构造函数。定义如下：
void* operator new(size_t,void*);
void operator delete(void*,void*);

提示1：palcement new的主要用途就是反复使用一块较大的动态分配的内存来构造不同类型的对象或者他们的数组。

提示2：placement new构造起来的对象或其数组，要显示的调用他们的析构函数来销毁，千万不要使用delete。

char* p = new(nothrow) char[100];
long *q1 = new(p) long(100);
int *q2 = new(p) int[100/sizeof(int)];

三.实例

1.plain new/delete.普通的new
定义如下：
void *operator new(std::size_t) throw(std::bad_alloc);
void operator delete(void*) throw();

注：标准C++ plain new失败后抛出标准异常std::bad_alloc而非返回NULL，因此检查返回值是否为NULL判断分配是否成功是徒劳的。

测试程序：

复制代码代码如下:
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;

char *GetMemory(unsigned long size)

char *p=new char[size];//分配失败，不是返回NULL
return p;

int main()

try

char *p=GetMemory(10e11);// 分配失败抛出异常std::bad_alloc
//...........
if(!p)//徒劳
cout<<"failure"<<endl;
delete [] p;

catch(const std::bad_alloc &ex)

cout<<ex.what()<<endl;

return 0;

2.nothrow new/delete不抛出异常的运算符new的形式，new失败时返回NULL。
定义如下：
复制代码代码如下:
void *operator new(std::size_t,const std::nothrow_t&) throw();
void operator delete(void*) throw();
struct nothrow_t; const nothrow_t nothrow;//nothrow作为new的标志性哑元

测试程序：
复制代码代码如下:
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <new>
using namespace std;

char *GetMemory(unsigned long size)

char *p=new(nothrow) char[size];//分配失败，是返回NULL
if(NULL==p)
cout<<"alloc failure!"<<endl;
return p;

int main()

try

char *p=GetMemory(10e11);
//...........
if(p==NULL)
cout<<"failure"<<endl;
delete [] p;

catch(const std::bad_alloc &ex)

cout<<ex.what()<<endl;

return 0;

3.placement new/delete 主要用途是：反复使用一块较大的动态分配成功的内存来构造不同类型的对象或者它们的数组。例如可以先申请一个足够大的字符数组，然后当需要时在它上面构造不同类型的对象或数组。placement new不用担心内存分配失败，因为它根本不分配内存，它只是调用对象的构造函数。

测试程序：

复制代码代码如下:
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <new>
using namespace std;

class ADT

int i;
int j;
public:
ADT()

~ADT()

;

int main()

char *p=new(nothrow) char[sizeof(ADT)+2];
if(p==NULL)
cout<<"failure"<<endl;

ADT *q=new(p) ADT; //placement new:不必担心失败
// delete q;//错误!不能在此处调用delete q;
q->ADT::~ADT();//显示调用析构函数
delete []p;
return 0;

注：使用placement new构造起来的对象或数组，要显式调用它们的析构函数来销毁（析构函数并不释放对象的内存），千万不要使用delete.这是因为placement new构造起来的对象或数组大小并不一定等于原来分配的内存大小，使用delete会造成内存泄漏或者之后释放内存时出现运行时错误。