浅谈 C++ 中的 new/delete 和 new[]/delete[]

在 C++ 中,你也许经常使用 new 和 delete 来动态申请和释放内存,但你可曾想过以下问题呢?
  • new 和 delete 是函数吗?
  • new [] 和 delete [] 又是什么?什么时候用它们?
  • 你知道 operator new 和 operator delete 吗?
  • 为什么 new [] 出来的数组有时可以用 delete 释放有时又不行?
  • 如果你对这些问题都有疑问的话,不妨看看我这篇文章。new 和 delete 到底是什么?如果找工作的同学看一些面试的书,我相信都会遇到这样的题:sizeof 不是函数,然后举出一堆的理由来证明 sizeof 不是函数。在这里,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。
    继续往下之前,请你想想你认为 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。你答对了一半,看看下面语句:
    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 expression 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,你需要知道 operator new 和 operator delete 是什么玩意。operator new 和 operator delete这两个其实是 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,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!C++ Primer 一书上说这不是重载 new 和 delete 表达式(如 operator= 就是重载 = 操作符),因为 new 和 delete 是不允许重载的。但我还没搞清楚为什么要用 operator new 和 operator delete 来命名,比较费解。我们只要知道它们的意思就可以了,这两个函数和 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。我们使用
    class A *pA = new A(10);
    
    来创建一个类的对象,返回其指针 pA。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,至于为什么是 8 个字节,你可以看看《深入 C++ 对象模型》一书,这里不做多解释。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。
  • 所有这三步,你都可以通过反汇编找到相应的汇编代码,在这里我就不列出了。好了,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:
    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。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:
    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:
    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,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
    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:
    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/delete 、new []/delete[] 要配对使用?其实说了这么多,还没到我写这篇文章的最原始意图。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:
    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!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:
    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/delete、new[]/delete[] 要配套使用总是没错的!

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