new/delete 和 new[]/delete[]

淺談 C++ 中的 new/delete 和 new[]/delete[]

 

在 C++ 中，你也許常用 new 和 delete 來動態申請和釋放內存，但你可曾想過如下問題呢？

• new 和 delete 是函數嗎？
• new [] 和 delete [] 又是什麼？何時用它們？
• 你知道 operator new 和 operator delete 嗎？
• 爲何 new [] 出來的數組有時能夠用 delete 釋放有時又不行？
• …

若是你對這些問題都有疑問的話，不妨看看我這篇文章。

new 和 delete 究竟是什麼？

若是找工做的同窗看一些面試的書，我相信都會遇到這樣的題：sizeof 不是函數，而後舉出一堆的理由來證實 sizeof 不是函數。在這裏，和 sizeof 相似，new 和 delete 也不是函數，它們都是 C++ 定義的關鍵字，經過特定的語法能夠組成表達式。和 sizeof 不一樣的是，sizeof 在編譯時候就能夠肯定其返回值，new 和 delete 背後的機制則比較複雜。
繼續往下以前，請你想一想你認爲 new 應該要作些什麼？也許你第一反應是，new 不就和 C 語言中的 malloc 函數同樣嘛，就用來動態申請空間的。你答對了一半，看看下面語句：

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

你就能夠看出 new 和 malloc 仍是有點不一樣的，malloc 申請完空間以後不會對內存進行必要的初始化，而 new 能夠。因此 new expression 背後要作的事情不是你想象的那麼簡單。在我用實例來解釋 new 背後的機制以前，你須要知道 operator new 和 operator delete 是什麼玩意。

operator new 和 operator delete

這兩個實際上是 C++ 語言標準庫的庫函數，原型分別以下：

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 

後面兩個你能夠先不看，後面再介紹。前面兩個均是 C++ 標準庫函數，你可能會以爲這是函數嗎？請不要懷疑，這就是函數！C++ Primer 一書上說這不是重載 new 和 delete 表達式（如 operator= 就是重載 = 操做符），由於 new 和 delete 是不容許重載的。但我還沒搞清楚爲何要用 operator new 和 operator delete 來命名，比較費解。咱們只要知道它們的意思就能夠了，這兩個函數和 C 語言中的 malloc 和 free 函數有點像了，都是用來申請和釋放內存的，而且 operator new 申請內存以後不對內存進行初始化，直接返回申請內存的指針。

咱們能夠直接在咱們的程序中使用這幾個函數。

new 和 delete 背後機制

知道上面兩個函數以後，咱們用一個實例來解釋 new 和 delete 背後的機制：

咱們不用簡單的 C++ 內置類型來舉例，使用複雜一點的類類型，定義一個類 A：

class A { public: A(int v) : var(v) { fopen_s(&file, "test", "r"); } ~A() { fclose(file); } private: int var; FILE *file; }; 

很簡單，類 A 中有兩個私有成員，有一個構造函數和一個析構函數，構造函數中初始化私有變量 var 以及打開一個文件，析構函數關閉打開的文件。

咱們使用

class A *pA = new A(10); 

來建立一個類的對象，返回其指針 pA。以下圖所示 new 背後完成的工做：

簡單總結一下：

1. 首先須要調用上面提到的 operator new 標準庫函數，傳入的參數爲 class A 的大小，這裏爲 8 個字節，至於爲何是 8 個字節，你能夠看看《深刻 C++ 對象模型》一書，這裏不作多解釋。這樣函數返回的是分配內存的起始地址，這裏假設是 0x007da290。
2. 上面分配的內存是未初始化的，也是未類型化的，第二步就在這一塊原始的內存上對類對象進行初始化，調用的是相應的構造函數，這裏是調用 A:A(10); 這個函數，從圖中也能夠看到對這塊申請的內存進行了初始化，var=10, file 指向打開的文件。
3. 最後一步就是返回新分配並構造好的對象的指針，這裏 pA 就指向 0x007da290 這塊內存，pA 的類型爲類 A 對象的指針。

全部這三步，你均可以經過反彙編找到相應的彙編代碼，在這裏我就不列出了。

好了，那麼 delete 都幹了什麼呢？仍是接着上面的例子，若是這時想釋放掉申請的類的對象怎麼辦？固然咱們可使用下面的語句來完成：

delete pA; 

delete 所作的事情以下圖所示：

delete 就作了兩件事情：

1. 調用 pA 指向對象的析構函數，對打開的文件進行關閉。
2. 經過上面提到的標準庫函數 operator delete 來釋放該對象的內存，傳入函數的參數爲 pA 的值，也就是 0x007d290。

好了，解釋完了 new 和 delete 背後所作的事情了，是否是以爲也很簡單？不就多了一個構造函數和析構函數的調用嘛。

如何申請和釋放一個數組？

咱們常常要用到動態分配一個數組，也許是這樣的：

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

上面在申請一個數組時都用到了 new [] 這個表達式來完成，按照咱們上面講到的 new 和 delete 知識，第一個數組是 string 類型，分配了保存對象的內存空間以後，將調用 string 類型的默認構造函數依次初始化數組中每一個元素；第二個是申請具備內置類型的數組，分配了存儲 10 個 int 對象的內存空間，但並無初始化。

若是咱們想釋放空間了，能夠用下面兩條語句：

delete [] psa; delete [] pia; 

都用到 delete [] 表達式，注意這地方的 [] 通常狀況下不能漏掉！咱們也能夠想象這兩個語句分別幹了什麼：第一個對 10 個 string 對象分別調用析構函數，而後再釋放掉爲對象分配的全部內存空間；第二個由於是內置類型不存在析構函數，直接釋放爲 10 個 int 型分配的全部內存空間。

這裏對於第一種狀況就有一個問題了：咱們如何知道 psa 指向對象的數組的大小？怎麼知道調用幾回析構函數？

這個問題直接致使咱們須要在 new [] 一個對象數組時，須要保存數組的維度，C++ 的作法是在分配數組空間時多分配了 4 個字節的大小，專門保存數組的大小，在 delete [] 時就能夠取出這個保存的數，就知道了須要調用析構函數多少次了。

仍是用圖來講明比較清楚，咱們定義了一個類 A，但不具體描述類的內容，這個類中有顯示的構造函數、析構函數等。那麼 當咱們調用

class A *pAa = new A[3]; 

時須要作的事情以下：

從這個圖中咱們能夠看到申請時在數組對象的上面還多分配了 4 個字節用來保存數組的大小，可是最終返回的是對象數組的指針，而不是全部分配空間的起始地址。

這樣的話，釋放就很簡單了：

delete []pAa; 

這裏要注意的兩點是：

• 調用析構函數的次數是從數組對象指針前面的 4 個字節中取出；
• 傳入 operator delete[] 函數的參數不是數組對象的指針 pAa，而是 pAa 的值減 4。

爲何 new/delete 、new []/delete[] 要配對使用？

其實說了這麼多，還沒到我寫這篇文章的最原始意圖。從上面解釋的你應該懂了 new/delete、new[]/delete[] 的工做原理了，由於它們之間有差異，因此須要配對使用。但恰恰問題不是這麼簡單，這也是我遇到的問題，以下這段代碼：

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

這確定是沒問題的，但若是把 delete []pia; 換成 delete pia; 的話，會出問題嗎？

這就涉及到上面一節沒提到的問題了。上面我提到了在 new [] 時多分配 4 個字節的原因，由於析構時須要知道數組的大小，但若是不調用析構函數呢（如內置類型，這裏的 int 數組）？咱們在 new [] 時就不必多分配那 4 個字節， delete [] 時直接到第二步釋放爲 int 數組分配的空間。若是這裏使用 delete pia;那麼將會調用 operator delete 函數，傳入的參數是分配給數組的起始地址，所作的事情就是釋放掉這塊內存空間。不存在問題的。

這裏說的使用 new [] 用 delete 來釋放對象的提早是：對象的類型是內置類型或者是無自定義的析構函數的類類型！

咱們看看若是是帶有自定義析構函數的類類型，用 new [] 來建立類對象數組，而用 delete 來釋放會發生什麼？用上面的例子來講明：

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

那麼 delete pAa; 作了兩件事：

• 調用一次 pAa 指向的對象的析構函數；
• 調用 operator delete(pAa); 釋放內存。

顯然，這裏只對數組的第一個類對象調用了析構函數，後面的兩個對象均沒調用析構函數，若是類對象中申請了大量的內存須要在析構函數中釋放，而你卻在銷燬數組對象時少調用了析構函數，這會形成內存泄漏。

上面的問題你若是說不要緊的話，那麼第二點就是致命的了！直接釋放 pAa 指向的內存空間，這個老是會形成嚴重的段錯誤，程序必然會奔潰！由於分配的空間的起始地址是 pAa 指向的地方減去 4 個字節的地方。你應該傳入參數設爲那個地址！

同理，你能夠分析若是使用 new 來分配，用 delete [] 來釋放會出現什麼問題？是否是總會致使程序錯誤？

總的來講，記住一點便可：new/delete、new[]/delete[] 要配套使用老是沒錯的！

參考資料：

C++ Primer 第四版