C++：带你理解new和delete的实现原理

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C++：带你理解new和delete的实现原理

2023-04-06 18:23| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 operator new与operator delete函数内置类型自定义类型 malloc/free和new/delete的区别: 设计一个类,该类只在栈/堆创建对象 malloc最多能分配多大的内存空间？ new 一个对象时加括号和不加括号的区别: 知识点习题 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) 复制代码

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：

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， 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

调用operator new函数申请空间在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造

delete的原理

在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作调用operator delete函数释放对象的空间 int *a = new int; delete a; //释放单个int的空间复制代码

new T[N]的原理

调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请在申请的空间上执行N次构造函数

delete[]的原理

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数组空间复制代码 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:

malloc和free是函数，new和delete是操作符 malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化 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 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 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 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

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。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 }; 复制代码请设计一个类，该类只能在栈上创建对象

方法一：

将类的构造函数私有。防止在堆上创建对象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 }; 复制代码

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); }; 复制代码 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](); 复制代码

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：

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复制代码

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。

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 复制代码

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