C++系列总结——new和delete

前言

"new和malloc()有什么区别"，这是一个很常见的C++面试题。我的回答是"new等于malloc()后再选择性执行构造函数"。执行流程上是这样的，但是这样的回答是有纰漏的，比如没有考虑异常。下面就仔细聊一聊new，了解了new就了解了delete。

选择性的含义是有构造函数就会执行，没有构造函数则不会执行。

new是什么

new是C++的一个关键字，这个关键字有两种用法

new运算符：分配内存
new表达式：分配内存并初始化

通常我们都是使用new表达式，当然我们也可以直接使用new运算符。

int* a = new int;  // new表达式
int* b = (int*)operator new( sizeof(int) );  // new运算符

new表达式

调试一下下面这段代码，看看编译器是如何对待new表达式的。

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

截取一段汇编代码

=> 0x000000000040061f <+9>:     mov    $0x4,%edi    # 0x4就是A的大小，作为参数值传递
   0x0000000000400624 <+14>:    callq  0x400510 <_Znwm@plt>    # 单步调试，就会进入operator new( unsigned long ) 函数
   0x0000000000400629 <+19>:    mov    %rax,%rbx    # rax里存储了返回的内存地址
   0x000000000040062c <+22>:    mov    %rbx,%rdi    # 将分配的内存地址作为参数
   0x000000000040062f <+25>:    callq  0x400644 <A::A()>    # 如果没有构造函数的话，这里就不会调用了

从上，我们发现当使用new表达式时，编译器做的工作就是计算出类型的大小，然后将该大小作为参数调用operator new()，最后调用构造函数在operator new()返回的地址上做初始化。因为分配的大小是编译器自己计算出来的，所以即使operator new()的返回值是void*，编译器也不会告警。

new运算符

常用的new运算符原型有如下几种

1. void* operator new( std::size_t count ) throw( std::bad_alloc );    // 对应着 new T
2. void* operator new( std::size_t count, const std::nothrow_t& tag) throw(); // 对应着 new(std::nothrow) T
3. void* operator new( std::size_t count, void* ptr ) throw(); // 对应着 new(ptr) T，直接在ptr所指的内存上执行T的构造函数进行初始化。

1和2的区别仅在于1会抛出异常，而2不会。

一定不要写出类似下面的代码，当分配不出内存时，其实际结果是不符合预期的。

A* a = new A;
if( NULL == a ){
    return false;
}

除去异常这块，我们能看到new运算符和malloc()几乎是一模一样的：指定分配的内存大小，返回void*类型。如果去看内部实现的话，我们更会发现operator new()其实就是调用了malloc()，毕竟没有必要重复造轮子嘛。

new[]

new[]表达式和new表达式本质上没有什么差别，都是分配内存并初始化，只不过new[]表达式是一次性对分配多个对象的内存并初始化。

常用的new[]表达式，对应以下几种new[]运算符

1. void* operator new[]( std::size_t count ) throw( std::bad_alloc );    // 对应着 new T[N]
2. void* operator new[]( std::size_t count, const std::nothrow_t& tag) throw(); // 对应着 new(std::nothrow) T[N]
3. void* operator new[]( std::size_t count, void* ptr ) throw(); // 对应着 new(ptr) T[N]，实际是直接返回ptr

调试代码可以发现new[]运算符实际就是调用了对应的new运算符。

为了讲解new[]表达式的一些实现，需要从delete[]开始说起。当我们写delete[] a;时，并没有像new[]那样指定元素个数，那么编译器如何知道需要执行几次析构函数呢？答案很简单，就是new[]的时候，编译器会多分配点空间用来保存元素个数。

为什么delete[]不指定元素个数？我想还是为了减少程序员的工作量。

让我们来看看代码

class A
{
public:
    A(){}
    ~A(){}
private:
    int a;
};
int main()
{
    A* a = new A[1];
}

从下面的汇编可以看出实际分配的大小是12个字节，a地址的前8个字节保存了元素个数

=> 0x0000000000400623 <+13>:    mov    $0xc,%edi    # count是12
   0x0000000000400628 <+18>:    callq  0x400500 <_Znam@plt>    # 调用operator new[]()
   0x000000000040062d <+23>:    mov    %rax,%rbx    #  将operator new[]()的返回值，放入rbx
   0x0000000000400630 <+26>:    movq   $0x1,(%rbx)    # 记录元素个数是1
   0x0000000000400637 <+33>:    lea    0x8(%rbx),%rax    # 往后移动8字节，开始调用构造函数

delete[]会根据记录的元素个数执行完指定个数的析构函数，然后往前偏移8字节，调用free()释放内存。

我们知道编译器是不会做多余的事，如果没有析构函数需要执行的话，还需要多分配空间来保存元素个数么？答案是不需要！

class A
{
public:
    A(){}
private:
    int a;
};
int main()
{
    A* a = new A[1];
}

可以看到分配的大小就是4字节。

   0x0000000000400623 <+13>:    mov    $0x4,%edi
   0x0000000000400628 <+18>:    callq  0x400500 <_Znam@plt>   # 调用operator new[]()

因此如果没有析构处理的必要的话，就不要写析构函数了，省内存。

到这里，我们很自然的就能知道为什么new和delete以及new[]和delete[]要配套使用了。

后话

new和delete是很基础的知识了，日常只需要记住配套使用，不遗漏delete就足够了。

可以想想，下面这段代码运行时会有问题么，会破坏malloc内存管理结构、内存泄漏或者踩内存么？

A* a = new A;
a->~A();
delete[] (char*)a;