内存管理new and delete（C++）

在本篇中，将会较为详细的介绍在 Cpp 中的两个新操作符 new 和 delete，将会介绍其中的底层原理，以及这两个操作符的使用方法。其中还介绍了 new/delete 操作符使用的细节，还扩展了一些有关定位 new 表达式的知识点。最后总结了 malloc/free 与 new/delete 的区别。

目录

1. C++中的内存管理方式

1.1 new/delete内置类型

1.2 new/delete自定义类型

1.3 new/delete的其他操作

2. new/delete实现原理

2.1 operator new 与 operator delete 函数

2.2 operator new[] 与 operator delete[] 函数

2.3 new/delete的使用细节

3. 定位new表达式

4. 总结malloc/free与new/delete的区别

1. C++中的内存管理方式

在Cpp中的内存管理方式其实和C语言中的内存管理方式相差无几，在C语言中能使用的内存管理方式在Cpp中同样适用，不过在Cpp中适用两个新操作符 new delete 将 malloc 和 free 这两个函数给取代了。

1.1 new/delete内置类型

以下为 new/delete 对于内置类型的操作，如下：

以上就是对 new 操作的使用，对于 ptr1 来说，我们只是分配了一个 int 类型的空间，对于 ptr2 来说，我们使用 new 分配了一个 int 类型的空间并且将其初始化为 10，对于 ptr3 来说，使用类似数组的形式，给其分配了10个 int 类型的空间，我们还可以像初始化数组一样，给 ptr3 初始化，对于剩下未初始化的数组元素，默认使用0进行初始化。接着使用 delete 函数将其的空间释放。

注：申请和释放单个元素的空间，使用 new 和 delete操作符，申请和释放连续的空间使用 new[] 和 delete[]，需要注意的是，我们要将其匹配使用。

1.2 new/delete自定义类型

以下为 new delete 对于自定义类型变量的操作，如下：

如上所示，当我们使用 new 和 delete 操作符时的时候，对于自定义类型，new 和 delete 会默认调用其构造函数和析构函数。而相对比而言，malloc 和 free 就只是简单的申请一份空间和释放一份空间。

1.3 new/delete的其他操作

在C语言创建一个链表的时候，我们经常使用 malloc 来创建链表，现在我们可以使用 new 来创建链表，如下：
struct LinkNode {
	LinkNode* _next;
	int _data;
    // 构造函数
	LinkNode(int x= 0)
		:_next(nullptr)
		,_data(x)
	{}
};

// 创建 num 个结点的链表
LinkNode* CreateLinkList(int num) {
	LinkNode head(-1);
	LinkNode* tail = &head;
	int val = 0;
	printf("Please input the val in order:");
	for (int i = 0; i < num; i++) {
		cin >> val;
		LinkNode* newnode = new LinkNode(val);
		tail->_next = newnode;
		tail = tail->_next;
	}
	return head._next;
}
该操作相对 malloc 函数来说，方便多了，我们在使用 new 开辟空间的时候，也不需要判断是否申请失败，因为使用 new 开辟的空间，会有编译器自动检测是否申请失败。这样的代码写起来也会更方便。

通过以上的代码编写，其实我们也可以总结出一些关于使用 new delete 的优点：

1. 在创建对象的时候可以对对象进行初始化

2. 不需要检查是否会存在申请失败的情况

3. new 写起来更轻便，不需要计算大小，直接就可以进行申请变量或数组需要的空间

4. new 和 delete 对于自定义类型的变量会调用构造函数和析构函数。

2. new/delete实现原理

接下来我们将探讨 new/delete 的实现原理，不光探讨这两个，我们还会探讨 new[]/delete[] 函数的实现原理。

2.1 operator new 与 operator delete 函数

在Cpp中其实存在两个底层函数（也就是很少使用的函数，其他操作符的底层实现函数）。如下所示：

当我们对我们的程序进行 Debug 的时候，转入反汇编，发现对于操作符 new delete，在底层调用的是 operator new() 和 operator delete() 函数。

对于 operator new() 和 operator delete() 函数的底层实现如下：
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)
	
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */
	__TRY
		/* get a pointer to memory block header */
		pHead = pHdr(pUserData);
	/* verify block type */
	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);  // 调用free函数
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}
如上所示的代码，对于这两个函数而言，其实底层调用的函数也是 malloc 以及 free 函数，只不过还会多加入一些其他的东西，比如在 operator new 函数中，若调用 new 失败了，那么就会自动的抛异常，函数中的这些举动让我们使用 new 起来也更加轻松。

所以，我们对于 new 和 delete 的实现，可以总结为下图：

对于 new 来说，我们是先调用 operator new 函数开辟空间，然后调用构造函数，对生成的变量进行构造。而对于析构函数而言，我们要先进行析构，然后在进行调用operator delete 函数去释放空间。因为对于 delete 而言，如果先进行调用 operator delete函数，那么就提前将空间释放了，若我们的析构函数中还需要对变量进行释放空间，那么这个时候就找不到该释放的空间了。

2.2 operator new[] 与 operator delete[] 函数

以上探讨完 new/delete 的原理后，现在我们也要开始探讨 new[]/delete[] 的实现原理了。既然 new/delete 和 operator new 与 operator delete 函数有关，那么 new[]/delete[] 也许会和 operator new[] 与 operator delete[] 函数有关，以下将探讨这两个函数。如下：

如上图所示，我们使用 new[] 时，调用的函数为 operator new[] 函数，那么对于这样的一个函数，其中封装的也是 operator new 函数，如下：

那么接下来我们来观察 delete[] ，对于上图：

我们发现在 push 时，push 进的值为 2Ch，十进制也就是 44，但是对于我们的类 A 来说，一个 A 类对象也就4个字节，十个也应该是40，为什么会是44呢，这是因为 delete 的独特机制，如下：

上图中，红框表示 p1 所在内存地址，篮筐则是系统对 p1 多加入的一个值，其值为 a（10），刚好对应了 p1 中元素的个数，这是因为系统在调用 delete[] 操作符的时候，并不知道的该调用多少次析构函数，所以在 p1 的前一个地址处开辟了一个 int 型的空间，用于存储 p1 的个数，便于在调用 delete[] 时，知道应该调用多少次析构函数。

其实对于 delete[] 函数而言，和 new[] 几乎是同样类型的底层逻辑。所以对于 new[] 和 delete[] 而言，其调用的顺序为：

2.3 new/delete的使用细节

以上已经介绍了许多细节，接下来将会进行介绍其中的使用细节：使用 new 要和 delete 配合使用，使用 new[] 要和 delete[] 配合使用，如下：

如上所示，使用两次同样的方式调用函数，用 new[] 和 delete 搭配使用，一个报警告，一个没有报警告。这是因为对于内置类型来说，不会调用析构函数，那么在使用 delete[] 和 delete 其实是差不多的，因为内置类型不会调用析构函数。但是对于内置类型来说，我们在以上已经说过，当使用自定义类型的时候，系统会多申请一块 int 类型的空间，但是通常系统对于数组的使用，使用的是 int 类型之后的空间，若直接使用 delete 函数进行清除空间操作，那么就相当于在一整块空间的中间部分处开始释放空间，这样肯定会导致报错。

但是当我们将类的析构函数给注释掉的时候，又会是怎么样呢？如下图所示：

此时得到的结果表示为正常运行退出，并没有报错。通过调试我们发现，原本要在空间看开辟的一块 int 大小的空间也没有了，这是为什么呢？

这是因为编译器对代码进行了优化（不同的编译器得出的结果可能不同，所以这不是固定答案），我们将析构函数给注释掉了，而编译器默认生成的析构函数也不会做什么，所以对于编译器来说，直接将这一步骤给省略了，因为就算知道要进行多少次析构，实际上也并没有什么用，所以就将原本准备开辟的空间给取消了。这个时候也不会从中间位置开始释放空间，所以就不会报错了。

3. 定位new表达式

对于定位 new 表达式来说，我们先对其的用法进行说明，使用格式如下：
int main() {
	A* p1 = (A*)operator new(sizeof(A));
	// 显示调用构造函数对一块已经有的空间进行初始化
	new(p1)A(10);

	p1->~A();
	operator delete(p1);
	return 0;
}
对以上格式总结来说，就是像调用 malloc 函数一样调用 operator new，然后使用 new(place_address)type(initial)，其中 new 旁边的括号中为指针，type 表示类，initial 表示初始化的值。对于删除而言，就算先调用对象的析构函数，然后调用 operator delete 函数将其删去空间。但是这样做的意义是什么呢？为什么不直接调用 new 和 delete 呢？

因为：定位 new 表达式在实际中一般配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。我们平时使用的 new 不是将在内存池中申请空间，而是直接在内存中申请空间。
所以，定位 new 表达式相当于 new 的一种特殊使用场景。

4. 总结malloc/free与new/delete的区别

对于 malloc/free 和 new/delete 来说，他们之间的相同点为都是在堆上开辟空间，都需要由我们手动释放。

他们之间的不同点为：

1. malloc/free 是函数，而 new/delete 是操作符

2. malloc 申请的空间不可以进行初始化，而 new 申请的空间可以进行初始化

3. malloc 申请空间时，需要手动计算申请的空间大小，而 new 只需要在其后跟上空间类型即可，若是多个对象，只需要在 [ ] 中指定个数

4. malloc 申请空间是返回 NULL，需要我们自己判断是否申请成功，而 new 申请空间失败时会抛异常，不需要我们自己判断是否申请成功

5. malloc/free 函数只是进行简单的申请空间和清理空间，而 new/delete 申请空间时会调用构造函数，清理空间时会调用析构函数。