C++ new和delete探究

C++的new和delete是一种特殊的表达式。

new 和 delete 到底是什么？

我们都知道C++中sizeof不是函数，并且可以举出一堆的理由来证明sizeof不是函数。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。

首先我们应该搞清楚，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。你只答对了一半，看看下面语句：

1	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表达式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，你需要先知道 operator new 和 operator delete。

operator new 和 operator delete

不同与一般的operator***形式的操作符重载函数，operator new 和 operator delete这两个函数其实是 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，表示数组的new和delete，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。因为new和delete是不允许重载的。

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。

我们创建一个类的对象，返回其指针pA。

1	class A *pA = new A(10);

如下图所示 new 背后完成的工作：

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，也就是一个int类型成员变量和一个指针成员变量的大小，而且没有虚函数的那些东西。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。

同理，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：

1	delete pA;

delete 所做的事情如下图所示：

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。

new 和 delete 与数组

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：

1 2	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：

1 2	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（这4个字节一般位于数组首地址的前面，紧挨着数组），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

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

时需要做的事情如下：

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：

1	delete []pAa;

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和delete 、new []和delete [] 要配对使用？

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：

1 2	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！最好别这么做，因为如果没有正确地调用构造函数，类似有指针成员的类很容易造成内存泄露！

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：

1 2	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和delete、new []和delete [] 要配套使用总是没错的！

参考资料

https://www.cnblogs.com/hazir/p/`new`_and_`delete`.html
C++ primer 5th