[C++空间分配]new运算符、operator new、placement new的区别于联系

先科普一下：

1. new的执行过程：

（1）通过operator new申请内存

（2）使用placement new调用构造函数（内置类型忽略此步）

（3）返回内存指针

2. new和malloc的比较：

（1）new失败时会调用new_handler处理函数,malloc不会,失败时返回NULL

（2）new能通过placement new自动调用对象的构造函数，malloc不会

（3）new出来的东西是带类型的，malloc是void*，需要强制转换

（4）new是C++运算符，malloc是C标准库函数

3. delete的执行过程：

（1）调用析构函数（内置类型忽略此步）

（2）释放内存

4.delete和free的比较

（1）delete能自动调用对象的析构函数，malloc不会

（2）delete是C++运算符，free是C标准库函数

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new operator/delete operator就是new和delete操作符，而operator new/operator delete是函数。

new 运算符
（1）调用operator new分配足够的空间，并调用相关对象的构造函数
（2）不可以被重载

operator new
（1）只分配所要求的空间，不调用相关对象的构造函数。当无法满足所要求分配的空间时，则
        ->如果有new_handler，则调用new_handler，否则
        ->如果没要求不抛出异常（以nothrow参数表达），则执行bad_alloc异常，否则
        ->返回0
（2）可以被重载
（3）重载时，返回类型必须声明为void*
（4）重载时，第一个参数类型必须为表达要求分配空间的大小（字节），类型为size_t
（5）重载时，可以带其它参数

delete 与 delete operator类似

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class X
{
public:
    X() { cout<<"constructor of X"<<endl; }
    ~X() { cout<<"destructor of X"<<endl;}

    void* operator new(size_t size,string str)
    {
        cout<<"operator new size "<<size<<" with string "<<str<<endl;
        return ::operator new(size);//调用全局的operator new申请空间
    }

    void operator delete(void* pointee)
    {
        cout<<"operator delete"<<endl;
        ::operator delete(pointee);//调用全局的operator delete释放空间
    }
private:
    int num;
};

int main()
{
    X *px = new("A new class") X;
    delete px;

    return 0;
}

　 注意::operator new是全局的函数，全局的这样的函数有三个，其中有一个就是placemet new，后面说。一般用户不会（虽然能）在全局重载operator new函数，而是在自定义的类中重载operator new函数。operator new都是申请一个对象的空间内存，所以调用的时候size_t省略，但是对于operator new[]这个函数，要明确的说明数组中对象的个数。

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new和delete操作符我们应该都用过，它们是对堆中的内存进行申请和释放，而这两个都是不能被重载的。要实现不同的内存分配行为，需要重载operator new和operator delete，而不是new和delete。

operator new就像operator+一样，是可以重载的。但是不能在全局对原型为void operator new(size_t size)这个原型进行重载，一般只能在类中进行重载。如果类中没有重载operator new，那么调用的就是全局的::operator new来完成堆的分配。同理，operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重载的。

至于placement new，只是operator new的一个重载的版本，只是我们很少用到它。如果你想在已经分配的内存中创建一个对象，使用new时行不通的。也就是说placement new允许你在一个已经分配好的内存中（栈或者堆中）构造一个新的对象。原型中void*p实际上就是指向一个已经分配好的内存缓冲区的的首地址。

我们知道使用new操作符分配内存需要在堆中查找足够大的剩余空间，这个操作速度是很慢的，而且有可能出现无法分配内存的异常（空间不够）。placement new就可以解决这个问题。我们构造对象都是在一个预先准备好了的内存缓冲区中进行，不需要查找内存，内存分配的时间是常数。而且不会出现在程序运行中途出现内存不足的异常。所以，placement new非常适合那些对时间要求比较高，长时间运行不希望被打断的应用程序。 placement new使用方法如下：

1. 缓冲区提前分配，可以使用堆的空间，也可以使用栈的空间。所以分配方式有如下两种：
class MyClass {…};
char *buf = new char[N * sizeof(MyClass)];
char buf[N * sizeof(MyClass)];

2. 对象的构造
MyClass * pClass = new(buf) MyClass; //使用placement new

3. 对象的销毁
一旦这个对象使用完毕，你必须显式的调用类的析构函数进行销毁对象。但此时内存空间不会被释放，以便其他的对象的构造。
pClass->~MyClass();

4. 内存的释放
如果缓冲区在堆中，那么调用delete[] buf 进行内存的释放。如果在栈中，那么在其作用域内有效，跳出作用域，内存自动释放。

补充说明：
在C++标准中，对于placement operator new []有如下的说明：
placement operator new[] needs implementation-defined amount of additional storage to save a size of array。
所以我们必须申请比原始对象大小多出sizeof(int)个字节来存放对象的个数，或者说数组的大小。
使用方法第二步中的new才是使用placement new，其实是没有申请内存的，只是调用了构造函数。
返回一个指向已经分配好的内存的一个指针，所以对象销毁的时候不需要调用delete释放空间，但必须调用析构函数销毁对象。
所以对于placement new用于对象数组的时候：
char *buf=new char[N*sizeof(MyClass)+sizeof(int)];
char buf[N*sizeof(MyClass)+sizeof(int)];
MyClass * pClass=new(buf) MyClass[N]; //使用placement new[]

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前面说到了全局那里有三个operator new函数，下面看看：

operator new分为三种形式（前2种不调用构造函数，这点区别于new operator）：

1: void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
2: void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t & nothrow_constant) throw();
3: void* operator new (std::size_t size, void* ptr) throw();　

第一种分配size个字节的存储空间，并进行对象类型进行内存对齐。如果成功，返回一个非空的指针指向首地址。失败抛出bad_alloc异常。

第二种在分配失败时不抛出异常，它返回一个NULL指针。

第三种是placement new版本。它不分配内存，调用合适的构造函数在ptr所指的地方构造一个对象，之后返回实参指针ptr。

三种版本的operator new 定义在全局命名空间，不在std中。第一、第二个版本C++默认在每个编译单元中声明，不需要#include <new>头文件。第一、第二个版本可以被用户更换和重载（一般在类中重载），定义自己的版本，第三种placement new不可重载。

// operator new example
#include <iostream>
#include <new>
using namespace std;

struct myclass {myclass() {cout <<"myclass constructed\n";}};

int main ()
{
   int * p1 = new int;
// same as:
// int * p1 = (int*) operator new (sizeof(int));

   int * p2 = new (nothrow) int;
// same as:
// int * p2 = (int*) operator new (sizeof(int),nothrow);

   myclass * p3 = (myclass*) operator new (sizeof(myclass));
// (!) not the same as:
// myclass * p3 = new myclass;
// (constructor not called by function call, even for non-POD types)

   new (p3) myclass;   // calls constructor
// same as:
// operator new (sizeof(myclass),p3)

   return 0;
}
//结果输出：myclass constructed