浅谈C++的new和delete

前言

这里介绍new作为堆区内存开辟的操作符的用法和细节

我们知道C语言管理内存的函数是：malloc、calloc、realloc和free。C语言是面向过程的编程语言；而C++是面向对象的编程语言。这就注定了C++用不惯C语言的那一套动态内存管理的方式，于是C++引入了两个操作符：new和delete。这还是为了更好地处理自定义类型。所以现在我们就会从几个方面来讨论这些内存管理方式：

• 程序中的数据类型和内存分布
• C语言的管理方式：简要介绍malloc、calloc、realloc和free
• C++的处理方式及语法
• new和delete的底层
• malloc和new的区别

1. 数据的存储方式

在一个程序中，数据类型大概可以分为如下部分：

1. 局部数据
2. 全局数据和静态数据
3. 常量数据
4. 动态数据
5. ……

大约有如上的数据是在内存中被存储的，那么对于内存来说，他应该如何有效的管理这些数据呢？应该如何把这些数据合理的存放呢？现在我们就需要来了解，C/C++中程序内存区域的划分了

• 栈：又叫做堆栈，其主要作用就是用来存储局部变量，是一种即用即销毁的区域。存储的比如是：非静态局部变量、函数参数、返回值……栈区的运用习惯是先使用高地址后使用低地址。栈区是向下生长的
• 堆：程序运行的时候用于动态内存开辟的。堆区是向上生长的。
• 数据段：存储全局数据和静态数据
• 代码段：可执行的代码和只读的常量（例如：常量字符串）

先来看这样一个程序：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
int main()
{static int staticVar = 1;int localVar = 1;int num1[10] = {1,2,3,4};char char2[] = "abcd";const char* pChar3 = "abcd";int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int)* 4);int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);free(ptr1);free(ptr3);return 0;
}

• 来看下面的问题和选项：

2. C语言的管理方式

• malloc

  • 在堆区上申请一块空间，返回这片空间的起始地址的指针（void*类型）。

• calloc

  • 函数原型和malloc大有不同，主要区别是：它会将开辟好的空间，每字节初始化为0。

• realloc

  • 用于修改已有的内存大小，有两种方式：原地扩容和异地扩容。

对于C语言开辟的内存，需要使用函数free进行释放，不然就会造成内存泄露。同时关于malloc、calloc、realloc的使用还是来举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int)*4);int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 8);free(ptr1);free(ptr3); //不要尝试free ptr2，因为有可能发生了异地扩容，ptr2就是野指针return 0;
}

对于如上的三个函数来说，如果开辟空间失败，那么就会返回一个空指针NULL。所以有些编译器需要我们检查返回的指针是否是空指针（例如VS2022）。

3. C++的管理方式

3.1 new 和 delete

特别需要注意的是：`new`和`delete`是操作符，不是函数！

new和delete用于动态申请单个数据类型的空间。不用强制类型转换，同时还可以初始化。语法如下
例3.1：

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{int* ptr1 = new int(1); //初始化为1int b = 3;int* ptr2 = new int(b); //用b来初始化delete ptr1;delete ptr2; //一定要记得释放return 0;
}

基本语法如下：

//   new 类型 (初始化内容)
//  delete 指针

这里我们可以看到new和malloc在内置类型上似乎没有太大区别，不就是多了一个初始化吗？

• 更重要的是，在前言部分已经提到了：C++是面向对象的开发语言，那么new的优势更体现在自定义类型，即自定义类型上。

例3.2：有如下一个A类

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a) -- 构造" << endl;}A(const A& val):_a(val._a){cout << "A(const A& val) -- 深拷贝" << endl;}
private:
int _a;
};int main()
{A* ptr1 = new A(1);cout << "========" << endl;A aa(12);cout << "========" << endl;A* ptr2 = new A(aa);delete ptr1;delete ptr2;return 0;
}

运行结果是什么呢？

一个执行构造，另一个执行拷贝构造，很类似于在栈区进行对象的创建（意味着如果没有默认构造函数，就一定需要传参）。如果你传入的是一个右值的话，编译器可能会优化；当然也可能为你进行移动构造。

在这里想要表达的是：new会根据你传入的初始化内容，调用对应的构造函数：（构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数……），当然，这个结果是存在优化的（当同一行代码存在多次构造或者拷贝构造编译器会进行优化）。所以我们在这里可以看到，new和malloc差距是很明显的，因为new可以完成自定义类型的初始化工作，而malloc是无法完成的。

3.2 new 和 delete[ ]

在这里出现了[]，我们当然很容易想到数组。

new除了进行单个对象的申请空间，还可以进行像malloc那样的申请连续堆区空间，并且返回这段空间的起始地址的指针。
例3.3：

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{int* ptr = new int[10]{1, 2, 2}; //继承了数组的玩法，可以像数组一样初始化，注意这里没有用=链接{}，剩下的默认值就是缺省值delete[] ptr;return 0;
}

语法：

// new  类型[数量N]{ 初始化内容 }
// delete [] 指针

对于自定义类型来说，同样受用。只不过是：调用了N次构造函数。
例3.4：

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(int a = 0):_a(a){cout << "A(int a) -- 构造" << endl;}A(const A& val):_a(val._a){cout << "A(const A& val) -- 深拷贝" << endl;}
private:
int _a;
};int main()
{A* ptr = new A[10]{1，1，1，A(1)}; //隐式类型转换或者匿名对象都可以。delete[] ptr;return 0;
}

• 在这里特别强调：一定要搭配使用开辟和释放

  • new和delete
  • new T[N] 和 delete[ ]
  • malloc和free

一定不要混合使用！！！

4. new和delete底层

在这里不会深入地谈论new和delete的底层，需要的是大概了解其工作原理就可以了。

来看系统提供的两个全局函数operator new和operator delete：首先需要知道的是，new和delete的实现就是依靠的是operator new和operator delete。使用new就是调用函数operator new（运算符）

上面这张图片是operator new和operator delete的实现。我们从中读取关键信息：

1. operator new实际上是通过malloc来申请空间的
2. delete实际上调用的是free。事实也确实是这样，可是为什么需要绕一个弯来调用malloc呢？而不是直接new通过malloc来实现空间的开辟呢？

• C++不想使用C语言那套通过返回值（错误码）来判断程序是否出现问题。而是希望抛出一个异常来告诉程序员，系统出BUG了，使用operator new的一部分原因也是因为希望开辟空间失败的问题让程序抛出异常，而不是通过返回值（设置错误码）来实现。

那么对于new来说，那么直接开空间就不适合直接套用malloc，而是需要采用operator new来进行进一步处理。所以大概调用的逻辑是：

实际上的new运行过程就是：malloc + 调用构造函数

所以在这里给出new和delete的运行机制：

• new

  • 调用operator new申请空间
  • 在申请的空间上，进行构造函数初始化，完成对象的构建

• delete

  • 在空间上执行析构函数，完成对象中的资源清理工作
  • 调用operator delete完成对空间的释放

new T[N] 和 delete[ ] 皆是类似的道理

5. 对比new和malloc区别

经过上面的探讨，我们也看得出来new和malloc有些差距：

1. new是操作符，malloc是函数。
2. new内存开辟失败是抛异常，malloc是返回nullptr，设置错误码。
3. new不需要手动计算开辟内存大小，malloc需要传入总共字节数。
4. new可以实现申请对象的初始化，而malloc不能实现初始化。
5. new不需要强制类型转换指针，而malloc需要强制类型转换指针。
6. 在进行自定义类型的申请时new会开空间+调用构造函数，delete会调用析构函数+释放空间；而malloc不会对于自定义类型有任何额外的操作。

• 实际上这里谈到了异常，还有内存泄露等一系列话题，我们在其它章节谈到。
• 实际上new还有另外的玩法：定位new（placement new），这种特性，在这里不多做解释。

完