浅谈C++中各种不同意义的new和delete的使用

前言

new 到底做了什么

通过VS2022查看汇编代码进行验证

operator new

重载类内operator new

重载全局 ::operator new

直接调用operator new

Placement new

删除与内存释放

使用operator new创建对象该如何释放

使用placement new创建对象时该如何释放

针对数组的创建和释放

系统维护开销

总结

前言

有时候我们觉得，C++术语仿佛是要故意让人难以理解似的。这里就有一个例子：请说明new operator 和 operator new 之间的差异。
上面这段话出自《More Effective C++》中的条款8。有兴趣的读者可以阅读这本书。现在就让我们揭开这神秘的面纱吧。

new 到底做了什么

new是C++的一个关键字、操作符。
当我们执行Test* pt = new Test();这句代码时，实际上干了三件事情：

分配内存

调用Constructor函数

返回分配好的指针

为什么这么说呢？口说无凭眼见为实，请接着往下看。

通过VS2022查看汇编代码进行验证

首先我们需要写一个空类，然后在main中new出这个类。代码可参考如下：

class A
{
public:
A()
{
}
~A()
{
}
};
int main()
{
A* p = new A();
delete p;
p = nullptr;
return 0;
}

第一步：在创建这一行添加断点（可左击该行行首或者在该行按F9即可）。
第二步：开始调试到当前断点处（可按F5）。
第三步：在上方功能栏中点击【Debug】->【Windows】->【Disassembly】。中文对应的是【调试】->【窗口】->【反汇编】。详细请看下图。

操作完上面三步之后我们就到了汇编代码。由于重点不是研究汇编语言，所以这里我就仅对上面那三步进行标记。验证一下上面的一个猜想。

那么这里我们用到的new操作符，也就是new operator，在《C++ Primer》书中也被称为new expression。

operator new

功能：只负责内存分配
operator new默认情况下调用分配内存的代码，去尝试在堆区获取一段空间，如果成功就返回，如果失败，则调用new_hander。有关new_hander我之前写了一篇：new_hander文章链接

重载类内operator new

下面对operator new重载，进行测试；

class A
{
public:
A()
{
std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
}
void* operator new(size_t size)
{
std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
return ::operator new(size); // 通过::operator new调用了全局的new
}
};
int main()
{
A* pt = new A();
delete pt;
pt = nullptr;
return 0;
}

运行结果：

可以看到先打印类内的operator new再调用constructor函数最后调用destructor函数。

重载全局 ::operator new

若要重载全局的::operator new时，最后就不能return 自身了需要写成malloc(size)。对应的delete也有delete operator 和 operator delete俩种，operator delete也是可以重载的。所以一般来说重载了operator new 就需要重载对应的operator delete了。
具体请看下面的代码：

新增一个全局的operator new函数

void* operator new(size_t size)
{
std::cout << "Call global operator new" << "\t" << size << std::endl;
return malloc(size);
}

运行结果：

直接调用operator new

该函数我们可以进行重载，但是第一参数的类型必须是size_t。而且我们还可以单独调用operator new。将返回一个void类型的指针。

在原有代码基础上，增加一个成员函数用于输出日志。

class A
{
public:
A()
{
std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
}
void* operator new(size_t size)
{
std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
return ::operator new(size); // 通过::operator new调用了全局的new
}
void print()
{
std::cout << "ha ha !" << std::endl;
}
};
void* operator new(size_t size)
{
std::cout << "Call global operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
return malloc(size);
}
int main()
{
void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
A* pa = static_cast<A*>(rawMemory);
pa->print();
delete pa;
pa = nullptr;
return 0;
}

运行结果：

可以看到只打印了全局的operator new函数已经析构函数。

Placement new

头文件：#include <new> 或者#include <new.h>
可以直接调用constructor函数，是operator new的一个特殊版本，也被称为placement new函数。

需要实现一个void* operator new(size_t, void* location)的重载版本。不需要申请内存只需要返回当前对象即可。
调用的语法：new(ObjectName) ClassName(构造函数的参数)

class A
{
public:
A()
{
std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
}
void* operator new(size_t size)
{
std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
return ::operator new(size); // 通过::operator new调用了全局的new
}
void* operator new(size_t size, void* location)
{
std::cout << "Call operator new(size_t size, void* location)" << std::endl;
return location;
}
void print()
{
std::cout << "ha ha !" << std::endl;
}
};
int main()
{
void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
A* pa = static_cast<A*>(rawMemory); // 创建内存
new(pa) A(); // 调用构造函数
pa->print();
delete pa;
pa = nullptr;
return 0;
}

运行结果：

这里的operator new的目的是要为对象找内存，然后返回一个指针指向它。在placement new的情况下，调用者已经知道指向内存的指针了，所以placement new唯一需要做的就是将已获得指针进行返回。虽然说size_t参数没有用到但是必须要加，之所以不给形参名是因为防止编译器抱怨“某某变量未被使用”。

删除与内存释放

为了避免内存泄漏，每一个动态分配都必须匹配一个释放动作。
内存释放的动作是由operator delete执行，函数原型：void operator delete(void* object);

当我们写了这句代码时delete pa;实际上执行了俩件事。
1、调用destructor函数
2、释放对象所占的内存资源

转换成代码就相当于：

pa->~A();
operator delete(pa);

使用operator new创建对象该如何释放

当我们在创建对象时，没有调用constructor函数，那么释放内存时也不需要调用destructor函数。只需要operator delete(pa);。

int main()
{
void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
....其他代码
operator delete(rawMemory);
return 0;
}

上面这段代码其实就等价于C语言里面调用malloc和free函数。

使用placement new创建对象时该如何释放

如果使用placement new在内存中产生对象，我们不能使用delete operator，因为会调用operator delete函数来释放内存。首先该内存并不是由该对象的operator new函数分配而来。它仅仅做了一个返回而已，所以这种情况下只需要调用destructor函数即可。

int main()
{
void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
A* pa = static_cast<A*>(rawMemory); // 创建内存
new(pa)A(); // 调用构造函数
pa->~A();
pa = nullptr;
operator delete(rawMemory);
return 0;
}

在上面这段代码中，pa对象就是使用placement new，所以最后只需要调用destructor函数。

针对数组的创建和释放

当我们使用A* pa = new A[10];这段代码时，分配内存的方式将会发生变化。
1、由operator new 改为 operator new[]，也被叫为array new。同样array new也可以被重载，
2、array new必须调用数组中的每个对象的constructor函数。上面那个例子就会调用10个A的无参构造函数。
3、array new在释放内存时。上面那个例子就会调用10个A的destructor函数。
4、该类必须有无参构造函数。

所以我们同样也可以修改operator new[]所调用的 new operator函数，以及delete[] operator。

系统维护开销

在面对数组时，new 会额外分配空间来存储new的长度（一般为一个指针大小，32位平台下4字节，64位平台下8字节）。这个叫系统维护开销。
下面是测试代码，类A是个空类只占一个字节，正常来说应该申请10个字节的内存。

int main()
{
A* pa = new A[10];
delete[] pa;
return 0;
}

32位环境下：

64位环境下：

可以看到对申请了一个指针的内存用来存放申请对象的个数。

总结

下面针对new的三种使用方式做了一个使用场景总结，切记操作对应的new 时还需要对应的delete。
1、需要将对象创建在堆区，那么就使用 new operator 也就是new操作符。它会帮你分配内存并调用constructor函数。
2、仅需要分配内存，那么就使用operator new，这样就不会调用constructor函数。
3、需要在堆区创建对象时自定义内存分配方式，那么就需要重写operator new函数然后使用new operator即可。
4、需要在已分配的内存中调用构造函数，那么就使用placement new。