C++：带你理解new和delete的实现原理

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operator new与operator delete函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

/*
operator new:该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回;申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
*/
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
    // try to allocate size bytes
    void* p;
    while ((p = malloc(size)) == 0)
        if (_callnewh(size) == 0)
        {
            // report no memory
            // 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常 
            static const std::bad_alloc nomem; 
            _RAISE(nomem);
        }
        
    return (p);
}

/*
operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的 
*/
void operator delete(void* pUserData)
{
    _CrtMemBlockHeader* pHead;
    
    RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
    if (pUserData == NULL)
        return;
    _mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */
    __TRY
    
        /* get a pointer to memory block header */
        pHead = pHdr(pUserData);
        
    	/* verify block type */
    	_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
    	
    	_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
    	
    __FINALLY
        _munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */
    __END_TRY_FINALLY
    
    return;
}

/*
free的实现
*/

#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new 和 malloc，delete 和 free基本类似，不同的地方是：

1. new / delete 申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，
2. new在申请空间失败时会抛异常， malloc会返回NULL。

自定义类型

• new的原理

  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的原理

  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

int *a = new int;

delete a;   //释放单个int的空间

• new T[N]的原理

  1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用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[]的原理

  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，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间

int *a = new int[5];

delete []a;    //释放int数组空间

malloc/free和new/delete的区别:

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:

1. malloc和free是函数，new和delete是操作符

2. malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化

3. malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可

4. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型

5. malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常

6. 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟与销毁空间，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

7. new/delete比malloc和free的效率稍微低点，因为new/delete的底层封装了malloc/free

new申请的内存，能用free吗？

• 不可以，new对应delete不可以张冠李戴。（malloc/free,new/delete必需配对使用）
• 对于非内部数据类型的对象而言，光用malloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数，对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符，不在编译器控制权限之内，不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。因此c++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new，以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。

如果 p 是 NULL 指针，那么 free 对 p 无论操作多少次都不会出问题。如果 p 不是 NULL 指针，那么 free 对 p 连续操作两次就会导致程序运行错误。

free如何知道要free多大的空间？

malloc函数的实现是以块分配内存，在被分配的块中包括两部分。

• 第一部分中存储含有报头的元数据，它其中包含有分配块的大小信息，是一个常量；
• 第二部分中存储实际用户数据。而使用malloc分配内存返回的是第二部分用户数据的地址。

而块的两个部分在内存中的存储取决有编译器的实现，一般有两种情况，第一种是最常见的，即元数据和用户数据是连续的，存储在连续空间位置。第二种是两部分分开存储。

所以内存释放时不再需要再指定释放多大的内存空间，只需要指定该块内存空间的首地址即可。

设计一个类,该类只在栈/堆创建对象

• 请设计一个类，该类只能在堆上创建对象

构造函数私有化

1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。

2. 提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建

代码示例：

class HeapOnly
{
public:
    static HeapOnly * CreateObject()
    {      
        return new HeapOnly;
    }
private:
    HeapOnly() {} // 在堆和栈上创建对象都会调用构造函数，为了防止在栈上创建对象我们将构造函数私有化
    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete; // 拷贝构造函数是在栈上创建对象
};

• 请设计一个类，该类只能在栈上创建对象

方法一：

1. 将类的构造函数私有。防止在堆上创建对象

2. 提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成栈对象的创建

代码示例：

class StackOnly
{
public:
    static StackOnly CreateObject()
    {
        return StackOnly(); // 确保了该类创建对象时不会使用new操作符，从而使得该类只能在栈上创建对象
    }
private:
    StackOnly() {} // 在堆和栈上创建对象都会调用构造函数，为了防止在堆上创建对象，应该将构造函数私有化
};

方法二：

只能在栈上创建对象，即不能在堆上创建，因此只要将new的功能屏蔽掉即可，即屏蔽掉operator new和定位new表达式。注意：屏蔽了operator new，实际也是将定位new屏蔽掉。

代码示例：

class StackOnly
{
public:
    StackOnly() {}
private:
    void* operator new(size_t size);
    void operator delete(void* p);
};

malloc最多能分配多大的内存空间？

malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址，当无法知道内存具体位置的时候，想要绑定真正的内存空间，就需要用到动态的分配内存。

地址空间限制是有的，但是malloc通常情况下申请到的空间达不到地址空间上限。内存碎片会影响到你“一次”申请到的最大内存空间。比如你有10M空间，申请两次2M，一次1M，一次5M没有问题。但如果你申请两次2M，一次4M，一次1M，释放4M，那么剩下的空间虽然够5M，但是由于已经不是连续的内存区域，malloc也会失败。系统也会限制你的程序使用malloc申请到的最大内存。Windows下32位程序如果单纯看地址空间能有4G左右的内存可用，不过实际上系统会把其中2G的地址留给内核使用，所以你的程序最大能用2G的内存。除去其他开销，你能用malloc申请到的内存只有1.9G左右。

new 一个对象时加括号和不加括号的区别:

• 对于自定义类类型：

  如果该类没有定义构造函数（由编译器合成默认构造函数）也没有虚函数，那么class c = new class;将不调用合成的默认构造函数，而class c = new class();则会调用默认构造函数。

  如果该类没有定义构造函数（由编译器合成默认构造函数）但有虚函数，那么class c = new class;和class c = new class();一样，都会调用默认构造函数。

  如果该类定义了默认构造函数，那么class c = new class;和class c = new class();一样，都会调用默认构造函数。

• 对于内置类型：

  int *a = new int;不会将申请到的int空间初始化，而int *a = new int();则会将申请到的int空间初始化为0。

知识点习题

• 下面描述正确的是

int *p1 = new int[10]; 
int *p2 = new int[10]();

A. p1和p2申请的空间里面的值都是随机值
B. p1和p2申请的空间里的值都已经初始化
C. p1申请的空间里的值是随机值，p2申请的空间里的值已经初始化
D. p1申请的空间里的值已经初始化，p2申请的空间里的值是随机值

正确答案: C

答案解析：

在C++primer(第5版)中关于new的讨论有：

1. new当个对象
   new在自由空间分配内存，但其无法为其分配的对象命名，因次是无名的，分配之后返回一个指向该对象的指针。

int *pi = new int; // pi指向一个动态分配的，未初始化的无名对象

此new表达式在自由空间构造一个int类型对象，并返回指向该对象的指针。

默认情况下，动态分配的对象是默认初始化的，这意味着内置类型或组合类型的对象的值是无定义的，而类类型对象将用默认构造函数进行初始化。

2. new(多个对象)数组
   new分配的对象，不管单个对象还是多个对象的分配，都是默认初始化。但可以对数组进行值初始化，方法就是：在大小之后添加一对空括号。

int *pia = new int[10];    // 10个未初始化int
int *pia2 = new int[10](); // 10个值初始化为0的int