C++中new和delete匹配使用过程详解

洪荒之力 · 发布于 2023-4-19 18:56:42

C语言的动态内存管理函数(malloc、calloc、realloc、free) 虽然可以继续在 C++ 使用，但是对于自定义类型成员而言，这些函数不会自动调用构造函数和析构函数，于是 C++ 增加了 new 和 delete 关键字

一、new和delete的使用

new 和 delete 用于在堆上申请或释放一个元素的空间，new[] 和 delete[] 用于在堆上申请或释放一块连续的空间，对于自定义类型空间的开拓，new 和 delete 还会调用构造函数和析构函数
#include <iostream>
using namespace std;
class Demo
{
public:
Demo(int a1 = 10, int a2 = 20)
: _a1(a1)
, _a2(a2)
{
cout << "Demo()" << endl;
}
void print()
{
cout << _a1 << " " << _a2 << endl;
}
~Demo()
{
cout << "~Demo()" << endl;
}
private:
int _a1;
int _a2;
};
void printIntArr(int* arr, int len)
{
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
cout << arr << " ";
}
cout << endl;
}
void printDemoArr(Demo* arr, int len)
{
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
arr.print();
}
cout << endl;
}
int main()
{
//用 new 申请一个内置类型变量的空间
int* pint1 = new int;
cout << *pint1 << endl; //输出 -842150451
//使用括号中的值初始化变量
int* pint2 = new int(5);
cout << *pint2 << endl; //输出 5
//用 delete 释放一个变量的空间
delete pint1;
delete pint2;
//用 new 申请一个自定义类型对象的空间，申请后会自动调用构造函数
Demo* pd1 = new Demo; //输出 Demo()
pd1->print(); //输出 10 20
//自定义类型会根据括号中的参数调用对应的构造函数
Demo* pd2 = new Demo(5, 5); //输出 Demo()
pd2->print(); //输出 5 5
//用 delete 释放一个变量的空间，释放前会自动调用析构函数
delete pd1; //输出 ~Demo()
delete pd2; //输出 ~Demo()
//对内置类型用 new[] 开拓一块连续的空间
int* pint3 = new int[5]; //[]中表示开拓整形的个数
printIntArr(pint3, 5); //输出 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451
//用花括号中的值初始化开拓的连续空间，未给值的为 0
int* pint4 = new int[5]{ 1, 2, 3, 4 };
printIntArr(pint4, 5); //输出 1 2 3 4 0
//对内置类型用 delete[] 释放一块连续的空间
delete[] pint3;
delete[] pint4;
//对自定义类型用 new[] 开拓一块连续的空间
//申请后会对空间自动调用构造函数 5 次
Demo* pd3 = new Demo[5]; //输出 5 行 Demo()
printDemoArr(pd3, 5); //输出 5 行 10 20
//用花括号中的值初始化开拓的连续空间
//花括号中假设用小括号会被认为是逗号表达式，会去调用单参的构造函数
//调用多参构造函数应在花括号中使用花括号，未给的值根据构造函数决定
Demo* pd4 = new Demo[5]{ (1, 2), {5}, {5, 10}}; //输出 5 行 Demo()
printDemoArr(pd4, 5); //输出第一行 2 20，第二行 5 10 第三行 5 10，两行 10 20
//对自定义类型用 delete[] 释放一块连续的空间
//释放之前会对空间自动调用析构函数 5 次
delete[] pd3; //输出 5 行 ~Demo
delete[] pd4; //输出 5 行 ~Demo
return 0;
}

二、operator new和operator delete函数

operator new 和 operator delete 是系统提供的全局函数，不是 new 和 delete 的运算符重载函数

operator new 底层是通过 malloc 函数来申请空间，当空间申请胜利时直接返回，失败时抛出异常(不会返回 nullptr)，operator new 函数可以像 malloc 一样使用，只是失败时的处置不同operator delete 和 free 底层都是是通过 _free_dbg 函数释放空间，只不过 operator delete 会对释放前后停止一些检查

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
//operator new 和 malloc 使用方法一样
//operator new 申请空间失败时抛异常
int* pi = (int*)operator new(sizeof(int) * 4);
//operator delete 和 free 使用方法一样，都会调用 _free_dbg
//operator delete 在释放空间时会做一些检查
operator delete(pi);
return 0;
}

operator new[] 和 operator delete[] 也是系统提供的全局函数，内部是通过调用 operator new 和 operator delete 函数

三、new和delete的实现原理

假设是内置类型，new 和 delete 调用 operator new 和 operator delete，new[] 和 delete[] 调用 operator new[] 和 operator delete[]
假设是自定义类型：
#include <iostream>
using namespace std;
class Demo
{
public:
Demo(int a1 = 10, int a2 = 20);
~Demo();
private:
int _a1;
int _a2;
};
Demo::Demo(int a1, int a2)
: _a1(a1)
, _a2(a2)
{
cout << "Demo()" << endl;
}
Demo::~Demo()
{
cout << "~Demo()" << endl;
}
int main()
{
Demo* pd1 = new Demo(5, 5);
delete pd1;
Demo* pd2 = new Demo[2]{ {1, 2}, {2, 3} };
delete[] pd2;
return 0;
}
new：
1. 调用 operator new 函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete：
1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
2. 调用operator delete函数释放对象的空间

new 类型[N]：
1. 调用operator new[] 函数，实际上是在 operator new[] 中调用 operator new 函数完成 N 个对象空间的申请
2. 在申请的空间上执行 N 次构造函数
delete[]：
1. 在释放的对象空间上执行 N 次析构函数，完成 N 个对象中资源的清理
2. 调用 operator delete[] 释放空间，实际上时在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间

四、申请空间和释放空间应配套使用

malloc/free、new/delete、new[]/delete[] 需要配套使用，否则总会有出问题的时候
下述代码不会报错，会产生内存泄漏
#include <iostream>
using namespace std;
class Stack
{
public:
Stack(int capacity = 4)
: _a(new int[capacity])
, _top(0)
, _capacity(capacity)
{
}
~Stack()
{
if (_a)
{
delete[] _a;
_top = _capacity = 0;
}
}
private:
int* _a;
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
Stack* ps = new Stack;
//free(ps); //内存泄漏
//delete 释放内存之前会调用析构函数
delete ps; //正确写法
return 0;
}

下述代码在 vs2022 下会解体
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A():" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A():" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p1 = new A[10];
//free(p1); //解体
delete[] p1; //正确写法
A* p2 = new A[10];
//delete p2; //解体
delete[] p2; //正确写法
return 0;
}

注意：不同的编译器处置可能不同，这里只代表在 vs2022 编译器中

五、定位new表达式

定位 new 表达式是在已开拓好的原始内存空间上调用构造函数初始化一个对象，使用格式：
new(place_address)type 或者 new(place_address)type(initializer-list)
place_address 必需是一个指针，initializer-list 是类型的初始化列表
定位 new 表达式在实际中一般是配合内存池使用，因为内存池分配出的内存没有初始化，并且构造函数不可以显示调用，所以假设是自定义类型的对象，需要使用定位 new 以停止显示调用构造函数停止初始化
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int a = 0)
: _a(a)
{
cout << "A()" << endl;
}
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a;
};
//定位 new 又叫 replacement new
int main()
{
//p1 如今指向的只是与 A 对象相同大小的一段空间，并不是一个对象，因为没有调用构造函数
A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
new(p1)A; //调用无参的构造函数输出 A()
//可以手动调用析构函数，然后释放空间
p1->~A(); //输出 ~A()
free(p1);
//p2 如今指向的只是与 A 对象相同大小的一段空间，并不是一个对象，因为没有调用构造函数
A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
new(p2)A(10); //10 是参数，可以根据参数调用对应的构造函数输出 A()
p2->~A(); //输出 ~A()
operator delete(p2);
return 0;
}

六、malloc/free和new/delete的区别

malloc/free 和 new/delete 的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放
不同的地方是：

malloc 和 free 是函数，new 和 delete 是运算符malloc 申请的空间不会初始化，new 可以初始化malloc 申请空间时，需要手动计算空间大小并传送，new 只需在其后跟上空间的类型，假设是多个对象，[] 中指定对象个数即可malloc 的返回值为 void*，接收时必需强迫类型转换，new 不需要，因为 new 后跟的是空间的类型malloc 申请空间失败时，返回的是NULL，因而使用时必需判空，new 不需要，但是 new 需要捕获异常申请自定义类型对象时，malloc/free 只会开拓空间，不会调用构造函数与析构函数，而 new 在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete 在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理

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